проницаемости /Си, К\ь /Сзз. показатель интенсивности трещи новатости. Оценка фильтрующих сред должна производиться гидродинамическими испытаниями и геофизическими методами в таком объеме, чтобы получить не только обоснованные значе ния фильтрационных параметров, но и выявить тенденции к их изменению и установить аномалии, показывающие на сущест вование исключительных условий в зоне опробования массива.
Комплексность испытанйй*, т. е. объем и число одновремен но используемых методов, определяется целью тампонирова ния, а также наличием соответствующего оборудования. Пол ный комплекс наблюдений целесообразно проводить на разве дочных скважинах, пробуренных до начала горно-строительных работ, а также на всех тампонажных скважинах в случае там понирования с поверхности. При тампонировании пород из за боя выработки можно ограничиться детальными гидродинами ческими исследованиями отдельных скважин, дополняя их ре зультатами визуальных наблюдений на стенках выработки. Ви зуальные наблюдения непосредственно проводят на обнажени ях горных пород или в горных выработках, в скважинах и при изучении кернов. Как правило, вс'е эти наблюдения основыва ются на методе массовых замеров. В пористых породах ввиду их однородности визуальная оценка не имеет самостоятельного значения и носит вспомогательный характер, в то время как визуальные наблюдения в трещиноватых породах дают возмож ность получить ряд важных данных.
Непосредственные визуальные наблюдения в обнажениях или выработках позволяют установить системы трещин, эле менты их залегания, среднюю раскрытость трещин, степень за полнения их вторичными материалами, интенсивность трещино ватости. Как производные этих характеристик находятся тре щинная пористость, трещинная проницаемость и параметры трещинной анизотропии массива. Достоинство такого метода заключается в быстроте выполнения исследований и отсутствии сложного оборудования. Недостатки — низкая точность и боль шая трудоемкость измерений раскрытия трещин, затруднения при, экстраполяции полученных результатов в любом направле нии массива горных пород (исключая данные об ориентировках основных систем трещин).
Среди визуальных’ методов оценки массива горных пород особо перспективными считаются методы просмотра перископи ческими приборами, фотографирования скважин (фотокаро таж), а также методы с использованием специальных подзем ных телевизионных камер ТУ, ФТСУ, УТФ-1 и др. Эти методы позволяют производить непосредственные наблюдения внутри
Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт/Э. Я. Кнпко, Ю. А. Полозов, О. Д. Лушникова и др. М., Недра, 1984-,
массива, однако пока использование их сопровождается значи тельными трудностями, а достоверность получаемой информа ции невысока.
Гидродинамические методы исследования массива горных по род заключаются в определении фильтрационных параметров пу тем обработки данных по опытным откачкам или нагнетанию во ды в скважины. Гидродинамические методы исследований делят на два вида: прямые и косвенные. Прямые методы дают воз можность определить абсолютные значения коэффициентов фильтрации и пористости среды. Их подразделяют на две груп пы: методы пробных нагнетаний или откачек (методы испыта ний при установившемся режиме) и методы прослеживания уровней или давлений (методы исследований при неустановившемся режиме фильтрации).
Для определения фактического местоположения водоносных горизонтов и изучения их гидродинамических характеристик широко используют метод расходометрии с помощью скважин ных расходометров типа ДАУ*.
Для определения коэффициента трещинной анизотропии гор ных пород, характеризующего соотношение коэффициентов про ницаемости основных систем трещиноватости по направлениям координатных осей, проводят специальные гидрогеологические исследования в кусте пробуренных тампонажных скважин пу тем нагнетания жидкости в одну из них и одновременного за мера изменения статических уровней воды в остальных сква жинах, являющихся наблюдательными. По данным исследова ний на погоризонтальных планах вокруг нагнетательной сква жины строят гидроизогипсы напоров (рис. 5.1). Коэффициент трещинной анизотропии
где К\.\ и К.2 .2 — коэффициенты проницаемости основных систем трещиноватости; R\' и R2 ' — минимальное и максимальное рас стояние от точки возбуждения до одноименной гидроизогипсы.
Косвенные методы исследований, к которым относятся ме тод удельного водопоглощения и метод восстановления давле ния, позволяют найти относительные фильтрационные характе ристики массива. Метод удельного водопоглощения в настоящее время широко применяют в практике тампонирования горных пород. Он заключается в том что участок, подлежащий тампо нированию, по высоте разбивают иа зоны, которые обычно со ответствуют высоте тампонируемой заходки, т. е. 5— 10—20 м. Скважину на высоту испытуемой зоны отделяют от вышележа-
Методика гидродинамических исследований подробно изложена в справочнике по сооружению шахтных стволов спецспособами. М., Недра, 1980.
Рис,- 5.1. План, гидроизогппе в зоне воз мущающей скважины:
I— 11 — скважины
щих зон тампоном. В каждую зону нагнетают чистую воду при различных давлениях. Расход воды, выраженный в литрах в минуту, приведенный к напору и к 1 м длины (высоты) зоны, называют удельным — водопоглощением [л/(мин'м-м)]
q= Q/(Hh),
где |
Q — расход |
воды, в испытуемой зоне при принятом давле |
нии |
нагнетания, |
л/мин; Я — напор, при котором воду нагнета |
ют в испытуемую зону, м; h — высота испытуемой зоны, м. Воду в каждой зоне нагнетают при трех ступенях давления,
например, при Я + 5 м, Я+10 м, Я+15 м. Удельное водопоглощение является условной характеристикой степени водопрони цаемости (трещиноватости) горной породы. По его значению назначают начальные концентрации тампонажных растворов.
Сущность метода восстановления давления заключается в том, что в скважину в течение кратковременного периода при определенном давлении нагнетают воду. Затем скважину от ключают и в ней регистрируют время восстановления началь ного давления. Используя эти данные, по специальным отрабо танным таблицам выбирают параметры тампонирования трещи новатых пород, концентрацию раствора, начальную производи тельность нагнетания, суммарный объем раствора и осущест вляют контроль качества тампонирования.
Несмотря на доступность и простоту удельного водопоглощения и особенно" метода восстановления -давления, они могут применяться только/для выбора и корректировки параметров тампонирования в процессе производства работ и не могут ис-
пользоваться для проектирования тампонажных работ, так как последнее возможно лишь на основе абсолютных фильтрацион ных характеристик массива.
При проектировании тампонажных работ необходимо иметь данные о коэффициентах нелинейности фильтрации и неодно родности пород. Для их определения на объекте, подлежащем тампонированию, предусматривают постановку одного или двух опытов (откачки или нагнетания) с различными дебитами и с регистрацией снижения или повышения напоров в испытатель ной и наблюдательной скважинах. При условии, если наблюда тельная скважина расположена на расстоянии г от основной, коэффициент нелинейности фильтрации т] определяется из од ного опыта по уравнению
АН - _ |
In J— |
|
|
_______________ 2n K h |
r0 |
|
|
f ( Q / (2я/СЛ)]г ( l / r 0 — 1/r) |
|
|
|
где ДH — разность напоров в испытательной и наблюдательной |
|||
скважинах, м; Q— дебит, |
равный подаче тампонажного |
насо |
|
са, м3/ч; К — коэффициент |
фильтрации,’ м/ч; h — высота |
испы |
|
туемой зоны, м; г0— радиус скважины.
При определении области применения того или иного вида тампонажного раствора и расчетах радиусов инъекции, помимо коэффициентов пористости т и фильтрации К, необходимо для пористых пород знать средний диаметр пор d0, а для трещино ватых пород — среднюю раскрытость трещин Ьо. Для определе ния ориентировочных значений этих показателей можно вос пользоваться для связных пород формулой*:
d0= V 96v/C/ (gm),
где v — кинематическая вязкость воды, м2/с, / ( — коэффициент фильтрации, м/с; g — ускорение свободного падения тела, да/с2, т — коэффициент пористости.
Для песков с частицами диаметром 1—3,15 мм
do=O,8mD0+0,13;
для щебня с частицами диаметром 3,15—9,2 мм dg= 0,64mD0+0,38;
для трещиноватых пород
Ь0= 4,83 K V 'râV ,
где ka— коэффициент проницаемости, м2; Do— преобладающий диаметр зерна, мм.
* Вахрамеев И. И. Теоретические основы там понаж а горных пород. М., Н едра, 1968.
Гидродинамические методы дают возможность определить характер трещиноватости в любой по глубине точке массива; значения пористости, проницаемости и их производных; интен сивности трещиноватости и величины среднего раскрытия тре щин. К недостаткам методов относятся высокая стоимость ис пытаний на анизотропию, значительные затраты времени, не обходимость в насосном и компрессорном оборудовании, досто верность определения степени заполнения трещин.
Геофизические методы в основном применяют для относи тельной оценки путем сопоставления исследуемого разреза с ранее известными условиями.
Изучение горных пород геофизическими методами произво дят с земной поверхности, через скважины и непосредственно из горных выработок. При изучении трещиноватых пород с.по верхности земли можно установить анизотропию массива, рас членить массив по сохранности, выявить тектонические зоны. Изучение пород из горных выработок имеет некоторые особен ности и дает возможность получить не только качественные, но и количественные характеристики. Наиболее широко для изу чения трещиноватости торных пород из выработок используют сейсмические, сейсмоакустические и ультразвуковые методы.
5.2,3. Проектирование процесса тампонирования горных пород
Проектирование тампонажных завес вокруг подземных со оружений в общем случае должно предусматривать последова тельное выполнение следующих этапов. Первоначально рассчи тывают параметры, характеризующие условия залегания масси ва горных пород и их свойства (трещиноватость, пористость, коэффициент фильтрации, коэффициент проницаемости и др.). Затем рассчитывают общие размеры изоляционной завесы, и наконец, с учетом возможностей тампонажного оборудования определяют максимальные размеры контуров распространения тампонажного раствора из одиночной скважины, количество тампонажных скважин и режим нагнетания раствора. В зави симости от применяемого тампонажного материала, свойств пе ресекаемых пород проектирование тампонажных завес осуще ствляют по различным методикам.
Р а с ч е т г е о м е т р и ч е с к и х р а з м е р о в т а м п о н а ж ных з а в е с е известной мере является условным, так как распространение тампонажного, раствора по трещинам горных пород происходит на различные расстояния от. скважины поразному в зависимости от величины раскрытия, направления и извилистости трещин, состава и концентрации цементного рас твора.