EA023095B1 - Способ проходки вертикального шахтного ствола в обводненных неустойчивых породах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах. Способ проходки вертикального шахтного ствола в обводненных неустойчивых породах включает создание до начала проходки ствола противофильтрационных бетонных завес, проходку ствола на участках, защищенных противофильтрационными завесами. В данную завесу и водонасыщенные породы под высоким давлением производят инъекцию химических составов на основе высокомолекулярных соединений, например уретана. Инъекцию химических составов на участке ствола, в окрестности которого создают противофильтрационную завесу, производят по скважинам, пробуренным с земной поверхности по противофильтрационной завесе. Расстояние между этими скважинами принимают меньше удвоенной глубины проникновения химического состава в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины. Инъекцию химических составов в насыщенные водой породы на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по скважинам, пробуренным из забоя ствола, на определенную глубину. При низкой проницаемости массива противофильтрационной завесы для химических составов скважины с земной поверхности пробуривают по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта. Техническим результатом заявляемого способа является снижение притоков воды в ствол при проходке его по обводненным неустойчивым породам с высокой скоростью движения минерализованных подземных вод в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями

Description

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных породах (патент КИ № 2095574, опубл. 10.11.1997), включающий замораживание горного массива, создание вокруг ледопородного массива водоизоляционный тампонажной завесы путем бурения скважин, нагнетание через них тампонажного раствора для осуществления гидроразрыва и нагнетание в образовавшиеся трещины гидроизоляционного материала, выемку горной породы и крепление ствола шахты. Создание водоизоляционной завесы осуществляется после замораживания горного массива на границе концентрации температурных напряжений, при этом нагнетание тампонажного раствора осуществляют через обсадные трубы с односторонней перфорацией. Гидроразрыв осуществляют тампонажным раствором низкой плотности, а трещины заполняют тампонажным раствором повышенной плотности. Недостатками данного способа являются большая стоимость его реализации, ограниченные возможности использования буровзрывных работ и низкая надежность при проходке вертикальных стволов в сильно обводенных неустойчивых породах.

Известен способ (патент КИ № 2398967, опубл. 10.09.2010) проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах, включающий замораживание пород, проведение буровзрывных работ, механизированную погрузку пород, крепление шахтного ствола чугунными тюбингами с последующим тампонажем закрепного пространства. При проведении буровзрывных работ определяют положения забоя с предельно возможной силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами. После чего осуществляют разрушение пород в этих зонах в режиме, обеспечивающем величину напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами, равную или меньшую максимально допустимого значения.

Недостатками данного способа являются значительные затраты на замораживание пород при создании ледопородного ограждения ствола и его низкая надежность при проходке вертикальных стволов по обводненным неустойчивым породам в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями температур воздуха и вмещающих пород.

Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах (патент № 015319, Евразийская патентная организация; опубл. А1, 2011.06.30. Бюллетень № 3, Евразийский сервер публикаций). Данный способ, принятый в качестве способа-прототипа, включает создание до начала проходки ствола по опасным водоносным горизонтам противофильтрационных завес путем бурения с земной поверхности или забоя шахтного ствола по периметру шахтного ствола рядов скважин и подачи по скважинам под высоким давлением цементного тампонажного раствора, которым заполняют поровые пространства и водопроводящие трещины в породах водоносного горизонта, проходку шахтного ствола на участках, защищенных противофильтрационными завесами, с использованием буровзрывных работ, возведение в стволе бетонной крепи, нанесение напылением гидроизолирующего состава на внутреннюю поверхность бетонной крепи ствола.

Недостатками данного способа являются значительные притоки воды в ствол (как в период проходки ствола, так и в последующие периоды его эксплуатации) при проходке стволов по обводненным неустойчивым породам с высокой скоростью движения минерализованных подземных вод в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями температур воздуха и вмещающих пород.

Техническим результатом заявляемого способа является снижение притоков воды в ствол (как в период проходки ствола, так и в последующие периоды его эксплуатации) при проходке стволов по обводненным неустойчивым породам с высокой скоростью движения минерализованных подземных вод в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями температур воздуха и вмещающих пород.

Технический результат достигается тем, что в способе проходки вертикального шахтного ствола в обводненных неустойчивых породах, включающем создание до начала проходки ствола по опасным водоносным горизонтам противофильтрационных завес путем бурения с земной поверхности или забоя шахтного ствола по периметру шахтного ствола рядов скважин и подачи по скважинам под высоким давлением цементного тампонажного раствора, которым заполняют поровые пространства и водопроводящие трещины в породах водоносного горизонта, проходку шахтного ствола на участках, защищенных противофильтрационными завесами, с использованием буровзрывных работ, возведение в стволе бетонной крепи, нанесение напылением гидроизолирующего состава на внутреннюю поверхность бетонной крепи ствола, согласно изобретению в противофильтрационную завесу и водонасыщенные породы водоносного горизонта под высоким давлением производят инъекцию химических составов на основе высокомолекулярных соединений, например, уретана, образующих при взаимодействии с водой каучукообразные эластичные материалы, при этом инъекцию химических составов на участке ствола, в окрестности которого создают противофильтрационную завесу, производят по скважинам, пробуренным с земной поверхности по противофильтрационной завесе параллельно продольной оси ствола, расстояние между этими скважинами принимают меньше удвоенной глубины проникновения химического состава в мас- 1 023095 сив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, а инъекцию химических составов в водонасыщенные породы водоносного горизонта на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по скважинам, пробуренным из забоя ствола, при этом глубину области массива пород впереди забоя ствола, в которую производят инъекцию химических составов, принимают больше величины перемещения забоя ствола за проходческий цикл.

При глубине проникновения химического состава в естественный массив пород водоносного горизонта в окрестности скважины, превышающей величину радиуса ствола в проходке, инъекцию химических составов в породы водоносных горизонтов, расположенные впереди забоя ствола на участке, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по одной скважине, пробуренной по продольной оси ствола перпендикулярно его забою.

Сущность заявляемого способа проходки стволов в обводненных неустойчивых породах поясняется схемами, представленными на фиг. 1-6.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема, поясняющая место расположения противофильтрационной завесы относительно ствола и место расположения скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе, для инъекции химических составов в противофильтрационную завесу.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема (вид в плане), поясняющая взаимное расположение скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе, для инъекции химических составов в противофильтрационную завесу.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема, поясняющая место расположения скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы.

На фиг. 4 представлена принципиальная схема (вид в плане), поясняющая взаимное расположение скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы.

На фиг. 5 представлена принципиальная схема (вид в плане), поясняющая взаимное расположение зон распространения химического состава в массиве противофильтрационной завесы в окрестностях скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе.

На фиг. 6 представлена принципиальная схема (вид в плане), поясняющая взаимное расположение зон распространения химического состава в массиве противофильтрационной завесы и в естественном массиве пород водоносного горизонта в окрестностях скважин, пробуренных с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы.

На фиг. 1-6: 1- крепь ствола; 2 - фартук ствола; 3 - внешняя граница противофильтрационной завесы; 4 - скважины, пробуренные с земной поверхности по противофильтрационной завесе параллельно продольной оси ствола; 5 - забой ствола; 6 - земная поверхность; 7 - скважина, пробуренная в массив (естественный) пород водоносного горизонта на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой; 8 - скважины, пробуренные с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы; 9 - граница области проникновения химических составов в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, пробуренной с земной поверхности по противофильтрационной завесе; 10 массив пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы; 11 - массив пород противофильтрационной завесы; 12 - граница области проникновения химических составов в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, пробуренной с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы; 13 - граница области проникновения химических составов в породы водоносного горизонта, находящиеся за внешней границей противофильтрационной завесы, в окрестности скважины, пробуренной с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы; 14 - скважина, пробуренная в массив (естественный) пород водоносного горизонта на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой; 15 - граница области массива пород впереди забоя ствола, в которую производят инъекцию химических составов; 1ι - длина участка ствола, в окрестности которого создана противофильтрационная завеса; б - ширина противофильтрационной завесы; δ - расстояние между скважинами; Ь - глубина проникновения химического состава в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, пробуренной с земной поверхности по противофильтрационной завесе; с - глубина проникновения химического состава в массив (естественный) пород водоносного горизонта в окрестности скважины, пробуренной с земной поверхности по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта; 1 - глубина области массива пород впереди забоя ствола, в которую производят инъекцию химических составов.

Способ реализуют следующим образом.

До начала проходки ствола по опасным водоносным горизонтам создают противофильтрационные завесы шириной б (фиг. 1-4) путем бурения с земной поверхности или забоя шахтного ствола по пери- 2 023095 метру шахтного ствола рядов скважин и подачи по скважинам под высоким давлением цементного тампонажного раствора, которым заполняют поровые пространства и водопроводящие трещины в породах водоносного горизонта. Ствол крепят бетонной крепью. На внутреннюю поверхность бетонной крепи ствола наносят напылением гидроизолирующие составы.

Причинами значительного увеличения притоков воды в ствол при использовании известного способа-прототипа являются водопроводящие микротрещины, возникающие в крепи ствола и в противофильтрационной завесе под воздействием минерализованных подземных вод, обладающих агрессивными свойствами по отношению к бетону; сдвижений массива, в котором пройден ствол, при землетрясениях, а также под влиянием горных работ в период разработки месторождения; колебаний температуры воздуха, вмещающих пород и крепи ствола.

По образовавшимся микротрещинам происходит движение подземных вод. Вследствие физической и химической коррозии бетона под воздействием минерализованных подземных вод разрушается не только тот участок крепи ствола, где происходит их непосредственная фильтрация через бетон, но и крепь всего ствола, а также его армировка. Аналогичное воздействие подземные воды оказывают на противофильтрационную завесу, что в конечном итоге приводит к увеличению водопритоков в ствол.

При использовании заявляемого способа проходки вертикального шахтного ствола в обводненных неустойчивых породах на участке ствола длиной й, в окрестности которого создают противофильтрационную завесу, с земной поверхности по противофильтрационной завесе пробуривают скважины, параллельные продольной оси ствола.

По скважинам в противофильтрационную завесу и водонасыщенные породы водоносного горизонта под высоким давлением производят инъекцию химических составов на основе высокомолекулярных соединений, например уретана, образующих в воде нерастворимый гель. Затвердевший раствор представляет собой каучукообразный эластичный материал, не образующий трещин при значительных его деформациях.

Химические составы на основе высокомолекулярных соединений обладают способностью глубоко проникать по микротрещинам в массив противофильтрационной завесы, что существенно повышает ее гидроизоляционные характеристики.

Бурение скважин по противофильтрационной завесе, имеющей достаточно высокие прочностные характеристики, позволяет обеспечить их устойчивость в период бурения и инъекции химических составов под высоким давлением в противофильтрационную завесу и водонасыщенные породы водоносного горизонта.

Расстояние 8 между скважинами 4 (фиг. 1, 2 и 5) и скважинами 8 (фиг. 3, 4 и 6) принимают меньше удвоенной глубины Ь проникновения химического состава в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины. Т.е. 8 <2Ь. При выполнении этого условия вокруг ствола создают сплошную водонепроницаемую завесу из каучукообразного эластичного материала, предохраняющую крепь ствола от агрессивных сильноминерализованных подземных вод и снижающую притоки воды из вмещающих водонасыщенных пород в ствол как при его проходке, так и период отработки месторождения в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями температур воздуха и вмещающих пород.

При низкой проницаемости массива противофильтрационной завесы для химических составов скважины 8 (фиг. 3, 4, 6) с земной поверхности пробуривают по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей 3 противофильтрационной завесы. Это позволяет повысить эффективность заявляемого способа за счет инъекции химических составов как в противофильтрационную завесу, так в породы водоносного горизонта, находящиеся за внешней границей 3 противофильтрационной завесы (фиг. 6). Расстояние между скважинами 8 принимают из условия 8<2Ь.

При реализации заявляемого способа противофильтрационные завесы решают две задачи: выполняя функции опережающей крепи обеспечивают безопасность работ при проходке ствола в обводненных неустойчивых породах; выполняют функцию водозащитного сооружения, предназначенного для снижения опасных водопритоков в шахтный ствол как в период проходки ствола, так и в период его последующей эксплуатации, исчисляемый десятками лет.

Инъекцию химических составов в водонасыщенные породы водоносного горизонта на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по скважинам, пробуренным из забоя ствола 5 (фиг. 1 и 3). При этом глубину 1 (фиг. 1 и 3) области массива пород впереди забоя ствола, в которую производят инъекцию химических составов, принимают больше величины перемещения забоя ствола за проходческий цикл. Выполнение этого условия позволяет исключить поступление воды в ствол как со стороны забоя ствола, так и со стороны стенок ствола до установки в стволе постоянной крепи.

Параметры, необходимые для реализации заявляемого способа, а именно глубину Ь проникновения химического состава в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, глубину распространения химического состава в окрестности скважины, пробуренной в естественном массиве водонасыщенных пород, место расположения внешней границы 3 противофильтрационной завесы и др., опре- 3 023095 деляют в каждом конкретном случае с использованием известных методик натурных, лабораторных или аналитических исследований.

Использование заявляемого способа позволяет снизить притоки воды в ствол (как в период проходки ствола, так и в последующие периоды его эксплуатации) при проходке стволов по обводненным неустойчивым породам с высокой скоростью движения минерализованных подземных вод в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и резкими колебаниями температур воздуха и вмещающих пород. Следствиями этого являются снижение затрат на водоотлив и увеличение скорости проходки вертикальных стволов в обводненных неустойчивых породах.

Заявляемый способ предназначен для применения при проходке вертикальных шахтных стволов по обводненным несвязным породам, характеризующимся низкими прочностными характеристиками.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ проходки вертикального шахтного ствола в обводненных неустойчивых породах, включающий создание до начала проходки ствола по опасным водоносным горизонтам противофильтрационных завес путем бурения с земной поверхности или забоя шахтного ствола по периметру шахтного ствола рядов скважин и подачи по скважинам под высоким давлением цементного тампонажного раствора, которым заполняют поровые пространства и водопроводящие трещины в породах водоносного горизонта, проходку шахтного ствола на участках, защищенных противофильтрационными завесами, с использованием буровзрывных работ, возведение в стволе бетонной крепи, нанесение напылением гидроизолирующего состава на внутреннюю поверхность бетонной крепи ствола, отличающийся тем, что в противофильтрационную завесу и водонасыщенные породы водоносного горизонта под высоким давлением производят инъекцию химических составов на основе высокомолекулярных соединений, например уретана, образующих при взаимодействии с водой каучукообразные эластичные материалы, при этом инъекцию химических составов на участке ствола, в окрестности которого создают противофильтрационную завесу, производят по скважинам, пробуренным с земной поверхности по противофильтрационной завесе параллельно продольной оси ствола, расстояние между этими скважинами принимают меньше удвоенной глубины проникновения химического состава в массив противофильтрационной завесы в окрестности скважины, а инъекцию химических составов в водонасыщенные породы водоносного горизонта на участке проходки ствола, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по скважинам, пробуренным из забоя ствола, при этом глубину области массива пород впереди забоя ствола, в которую производят инъекцию химических составов, принимают больше величины перемещения забоя ствола за проходческий цикл.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при низкой проницаемости массива противофильтрационной завесы для химических составов скважины с земной поверхности пробуривают по противофильтрационной завесе с присечкой пород водоносного горизонта, находящихся за внешней границей противофильтрационной завесы.
3. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при глубине проникновения химического состава в массив пород водоносного горизонта в окрестности скважины, превышающей величину радиуса ствола в проходке, инъекцию химических составов в породы водоносных горизонтов, расположенные впереди забоя ствола на участке, не защищенном противофильтрационной завесой, производят по одной скважине, пробуренной по продольной оси ствола перпендикулярно его забою.