RU2337241C1

RU2337241C1 - Method of cement injection of fractured ground

Info

Publication number: RU2337241C1
Application number: RU2007108647/03A
Authority: RU
Inventors: м л йнен Вениамин Анатольевич Х (RU); Вениамин Анатольевич Хямяляйнен; Александр Евгеньевич Майоров (RU); Александр Евгеньевич Майоров
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-10-27

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: method of cement injection of fractured ground includes drilling of injection drain holes and around of them, cement grout injection into rock through injection wells, filtering out and removing of grout liquid phase through filter medium of drain holes. Grout liquid phase is filtered out radial to drain hole axis at variable hydraulic resistance of filter medium, and filtrate is removed by free discharge in axial half-socket pipe.

EFFECT: invention increases quality of cement injection of fractured ground around mine workings.

1 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.The invention relates to mining, and in particular to methods of cementing fractured rocks around workings.

Известен способ крепления горных выработок (патент на изобретение РФ №2283959. Способ крепления горных выработок. Хямяляйнен В.А., Майоров А.Е., МПК E21D 20/00, E21D 11/00, опубл. 2006.09.20, Бюл. №26), включающий бурение нагнетательных и дренажных скважин, закрепление в их донной части анкеров с опорными элементами, а после смещения пород нанесение изолирующего покрытия на поверхность выработки и поскважинное нагнетание вяжущего раствора в породы для создания вокруг выработки породобетонной оболочки. При этом до начала поскважинного нагнетания вяжущего раствора в нагнетательные скважины дополнительно создают сетку дренажных скважин, в донной части которых устанавливают и закрепляют анкера, нагружение анкеров, расположенных в нагнетательных и дренажных скважинах, производят порядно, в направлении от забоя выработки сразу после получасового поддержания максимального давления нагнетания вяжущего раствора в нагнетательных скважинах с прекратившимся растворопоглощением. Кроме того, особенность способа заключается в том, что анкера закрепляют сыпучим минеральным заполнителем без установки подпорной шайбы, причем при закреплении анкеров в дренажных скважинах их заполняют сыпучим минеральным заполнителем на полную длину с подпором устья фильтрующим материалом, а при закреплении анкеров в нагнетательных скважинах их заполняют только на минимально необходимую для равнопрочного закрепления длину минеральным заполнителем, которую у всех анкеров располагают за контуром устойчивой части массива.A known method of fastening mine workings (patent for the invention of the Russian Federation No. 2283959. Method of fastening mine workings. Hämäläinen VA, Mayorov A.E., IPC E21D 20/00, E21D 11/00, publ. 2006.09.20, Bull. No. 26), including drilling injection and drainage wells, fixing anchors with supporting elements in their bottom part, and after displacement of the rocks, applying an insulating coating to the surface of the mine and borehole injection of cementitious mortar into the rocks to create a concrete-concrete shell around the mine. In this case, before the start of borehole injection of the binder solution into the injection wells, a grid of drainage wells is additionally created, in the bottom of which anchors are installed and fixed, loading of the anchors located in the injection and drainage wells is carried out in the order in the direction from the bottom of the output immediately after half an hour of maintaining maximum pressure injecting a binder solution in injection wells with discontinued solution absorption. In addition, the peculiarity of the method lies in the fact that the anchors are fixed with loose mineral aggregate without installing a retaining washer, and when fixing anchors in drainage wells they are filled with loose mineral aggregate to the full length with a support of the mouth with filter material, and when fixing anchors in injection wells they are filled only to the minimum length necessary for equal strength fixing with mineral aggregate, which for all anchors is located beyond the contour of the stable part of the massif.

Недостатком данного способа является то, что при нагнетании цементного раствора в систему трещин качество цементации горных пород снижается по мере удаления от контура выработки. При отфильтровывании жидкой фазы раствора через дренажные скважины, проводимого для повышения плотности и прочности получаемого цементного камня, приращение суммарного сопротивления движению вдоль оси скважины взаимоналагаемых потоков фильтрата из трещин более удаленных уровней происходит за счет кольматации и седиментации частиц цемента в поровом пространстве фильтрующего материала. В результате поток жидкой фазы раствора из дальних от устья скважины трещин имеет максимальное суммарное сопротивление движению по длине скважины и минимальную интенсивность отфильтровывания.The disadvantage of this method is that when cement is injected into the system of cracks, the quality of cementation of the rocks decreases with distance from the output circuit. When filtering the liquid phase of the solution through drainage wells, which is carried out to increase the density and strength of the resulting cement stone, the increment in the total resistance to movement along the well axis of mutually adjustable filtrate flows from cracks of more distant levels occurs due to the clogging and sedimentation of cement particles in the pore space of the filter material. As a result, the flow of the liquid phase of the solution from cracks far from the wellhead has a maximum total resistance to movement along the length of the well and a minimum filtering intensity.

Известен способ упрочнения горных пород (а.с. СССР №768990, МПК E21D 1/16, опубл. 07.10.1980 г., Бюл. №37), принятый за прототип, включающий бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин.A known method of hardening rocks (AS USSR No. 768990, IPC E21D 1/16, publ. 10/07/1980, Bull. No. 37), adopted as a prototype, including drilling injection and drainage wells around them, pumping cement into the rocks through injection wells, filtering and removing the liquid phase of the cement slurry through the filter material of the drainage wells.

Задачей заявляемого изобретения является повышение качества цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.The task of the invention is to improve the quality of cementation of fractured rocks around workings.

Указанная задача достигается тем, что в способе цементации трещиноватых горных пород, включающем бурение нагнетательных и вокруг них дренажных скважин, нагнетание цементационного раствора в породы через нагнетательные скважины, отфильтровывание и удаление жидкой фазы цементационного раствора через фильтрующий материал дренажных скважин, согласно изобретению, жидкую фазу цементационного раствора отфильтровывают радиально к оси дренажной скважины при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке.This problem is achieved by the fact that in the method of cementing fractured rocks, including drilling injection and around drainage wells, injecting the cement into the rocks through injection wells, filtering and removing the liquid phase of the cement through the filter material of the drainage wells, according to the invention, the liquid phase of the cement the solution is filtered radially to the axis of the drainage well with a variable hydraulic resistance of the filter material, and the filtrate is removed they are freely discharged along an axial perforated drainage tube.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

По известным методикам и рекомендациям, в зависимости от различных требований и условий проведения горной выработки рассчитывают паспорт крепления, в котором определена схема бурения нагнетательных и дренажных скважин, например симметричная веерная в шахматном порядке, плотностью 1 шт. на 1 м² поверхности контура выработки, глубина пробуриваемых скважин, соответствующая минимально необходимой глубине упрочнения, например в кровле 1,2 м и в боках выработки 0,6 м, схему нагнетания цементационного раствора, например при постоянном давлении, время отставания работ по упрочнению от проходческих, например 20 суток, вид временной крепи (изолирующего несущего покрытия), например набрызг-полимерное крепление Тефлекс (продукт фирмы Минова КарбоТех Гмбх, Германия) толщиной 4-6 мм.According to well-known methods and recommendations, depending on various requirements and conditions for mining, a fastening passport is calculated, in which the drilling pattern of injection and drainage wells is determined, for example, a symmetrical fan in a checkerboard pattern, with a density of 1 pc. on 1 m ^{2 of the} surface of the production contour, the depth of the drilled wells corresponding to the minimum required depth of hardening, for example, at the roof of 1.2 m and at the sides of the working of 0.6 m, the scheme of injection of cement, for example at constant pressure, the time lag of hardening work from tunneling, for example 20 days, the type of temporary lining (insulating bearing coating), for example Teflex spray-polymer mount (product of Minova KarboTech GmbH, Germany) 4-6 mm thick.

Структурированный массив горных пород пересечен трещинами 1 разрыва и расслоения. Вслед за подвиганием забоя на поверхность горной выработки по известной технологии наносят изолирующее несущее покрытие 2. Далее производят бурение нагнетательных 3 и дренажных 4 скважин. Скважины 3 и 4 вскрывают трещины 1 разрыва и расслоения, образуя единую систему сообщающихся каналов и полостей. В каждую дренажную скважину 4 вводят до упора картридж 5 из фильтрующего материала, например рулонного нетканого или в виде сетчатой емкости, заполненной песком фракцией до 2 мм. Для отвода фильтрата внутрь выработки по оси картриджа 5 расположена осевая перфорированная дренажная трубка 6, которая может быть изготовлена из пластмассы или металла. Устье дренажных скважин 4 перекрывают герметизатором 7, выполненным в виде резиновой пробки с центральным отверстием. После отверждения изолирующего несущего покрытия 2 известными способами производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы через инъекторы 8, вставленные в нагнетательные скважины 3. При этом под давлением нагнетания цементационного раствора его жидкую фазу отфильтровывают через фильтрующий материал картриджа 5 радиально к оси дренажной скважины 4 при переменном гидравлическом сопротивлении фильтрующего материала, а фильтрат удаляют свободным сбросом по осевой перфорированной дренажной трубке 6, расположенной соосно в дренажной скважине 4. После получасового поддержания максимального давления нагнетания цементационного раствора в нагнетательных скважинах 3 с прекратившимся растворопоглощением инъекторы 8 демонтируют.The structured rock mass is crossed by cracks of 1 fracture and delamination. Following the movement of the face to the surface of the mine using a known technology, an insulating bearing coating 2 is applied. Next, injection 3 and drainage 4 wells are drilled. Wells 3 and 4 open cracks 1 rupture and stratification, forming a single system of communicating channels and cavities. A cartridge 5 of filtering material, for example, a rolled nonwoven or in the form of a mesh container filled with sand with a fraction of up to 2 mm, is inserted into each drainage well 4 until it stops. To drain the filtrate into the production along the axis of the cartridge 5 is an axial perforated drainage tube 6, which can be made of plastic or metal. The mouth of the drainage wells 4 is blocked by a sealant 7 made in the form of a rubber stopper with a central hole. After the insulating bearing coating 2 has been cured by known methods, borehole injection of the cement slurry into the rocks is carried out through injectors 8 inserted into the injection wells 3. In this case, under the pressure of the injection of the grout, its liquid phase is filtered through the filtering material of the cartridge 5 radially to the axis of the drainage well 4 with a variable hydraulic resistance of the filter material, and the filtrate is removed by free discharge along the axial perforated drainage tube 6 located so but in the drainage hole 4. After half an hour of maintaining the maximum injection pressure in injection solution cementing wells 3 with stop rastvoropogloscheniem injectors 8 dismantled.

После бурения нагнетательных и дренажных скважин, нанесения и отверждения изолирующего несущего покрытия известными способами через инъектор производят поскважинное нагнетание цементационного раствора в породы. Под действием давления нагнетания цементационый раствор через нагнетательные скважины проникает во вскрытые трещины и полости приконтурного массива горных пород. Далее, как известно [Хямяляйнен В.А., Бурков Ю.В., Сыркин П.С. «Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок» - М.: Недра, 1994. - 400 с: ил.], в какой-то момент времени наступает прекращение растворопоглощения упрочняемых горных пород, а их последующая выдержка под максимальным давлением нагнетания цементационного раствора приводит к отфильтровыванию «излишней» жидкой фазы раствора и позволяет произвести более плотную упаковку частиц в трещинах и полостях. При этом жидкая фаза раствора отфильтровывается через фильтрующий материал картриджа дренажной скважины при преодолении его гидравлического сопротивления. Картридж конструктивно выполнен с равной радиальной толщиной фильтрующего материала вокруг осевой перфорированной дренажной трубки, что дает возможность радиального отфильтровывания жидкой фазы раствора в сторону наименьшего гидравлического сопротивления к оси скважины и его свободного сброса внутрь выработки. При этом, для потоков жидкой фазы цементационного раствора, попадающих в дренажную скважину из каждой вскрытой трещины, гидравлическое сопротивление движению через объем фильтрующего материала и его изменение во времени (при прочих равных условиях) одинаково и не зависит от глубины залегания каждой трещины, обеспечивая условие равновозможного сброса фильтрата от каждого горизонта упрочняемой зоны горных пород. К тому же, при процессе центростремительного отфильтровывания жидкой фазы раствора, в приконтурной наружной поверхности картриджа интенсивно происходят процессы кольматации с последующей седиментацией частиц цемента в поровом пространстве фильтрующего материала, что приводит к переменному радиальному гидравлическому сопротивлению фильтрующего материала в поперечном сечении скважины.After drilling injection and drainage wells, applying and curing the insulating bearing coating by known methods, a borehole injection of the cement slurry into the rocks is carried out through the injector. Under the influence of the injection pressure, the cement slurry penetrates through the injection wells into the open cracks and cavities of the rock mass. Further, as is known [Khamyalyaynen V.A., Burkov Yu.V., Syrkin P.S. “Formation of cementation curtains around capital mine workings” - M .: Nedra, 1994. - 400 s: ill.], At some point in time the solution absorption of the hardened rocks ceases, and their subsequent exposure to the maximum pressure of the grout leads to filtering out the "excess" liquid phase of the solution and allows for more dense packing of particles in cracks and cavities. In this case, the liquid phase of the solution is filtered through the filter material of the cartridge of the drainage well while overcoming its hydraulic resistance. The cartridge is structurally made with equal radial thickness of the filter material around the axial perforated drainage tube, which makes it possible to radially filter out the liquid phase of the solution in the direction of the least hydraulic resistance to the axis of the well and its free discharge into the production. At the same time, for the flows of the liquid phase of the cement slurry entering the drainage well from each opened crack, the hydraulic resistance to movement through the volume of the filter material and its change in time (all other things being equal) is the same and does not depend on the depth of each crack, providing an equally possible condition discharge of filtrate from each horizon of the hardened rock zone. In addition, during the centripetal filtering of the liquid phase of the solution, colmatation processes intensively occur in the adjacent outer surface of the cartridge, followed by sedimentation of cement particles in the pore space of the filter material, which leads to a variable radial hydraulic resistance of the filter material in the cross section of the well.

Отсутствие взаимоналожения потоков фильтрата по длине скважины в сочетании с его равновозможным сбросом от каждой трещины дает возможность повышения интенсивности отфильтровывания и, соответственно, повышения прочностных и адгезионных характеристик получаемого цементного камня во всем объеме упрочняемых горных пород вокруг выработки независимо от глубины и протяженности зоны цементации.The absence of overlapping filtrate flows along the length of the well in combination with its equally possible discharge from each fracture makes it possible to increase the intensity of filtering and, accordingly, increase the strength and adhesive characteristics of the resulting cement stone in the entire volume of hardened rocks around the excavation, regardless of the depth and length of the cementation zone.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить качество цементации трещиноватых горных пород вокруг выработок.Thus, the claimed method allows to improve the quality of cementation of fractured rocks around the workings.

Claims

A method of cementing fractured rocks, including drilling injection and drainage wells around them, injecting a cement slurry into the rocks through injection wells, filtering and removing the liquid phase of the grout through the filter material of the drainage wells, characterized in that the liquid phase of the grout is filtered radially to the axis of the drainage wells with variable hydraulic resistance of the filter material, and the filtrate is removed by free discharge along the axial perforation Anna drainage tube.