Материал: Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства

кислоты 4 представляет собой сварной сосуд прямоугольной формы. Внутри бак разделен на две емкости разного объема для концентрированной и менее концентрированной кислоты. При необходимости обе емкости могут сообщаться. Бак для смолы 5 представляет собой аналогичную конструкцию с баком для кислоты, но не разделяется на две емкости. Из баков 4, 5 раствор смолы и кислоты насосами-дозаторами 8 через элек­ тромагнитные расходомеры 9 типа ЭМР-2 подается в смеси­ тель 10. Смесь кислоты и смолы в заданной пропорции нагне­ тается в распределительную колонку 11, откуда через счетчики смесь поступает в инъекторы и далее в массив горных пород. Параметры нагнетания контролируются измерительной аппара­ турой.

Применяемые насосы для нагнетания тампонажного раство­ ра в массив горных пород должны удовлетворять следующим требованиям: распределительное устройство должно быть про­ стым с минимальным числом каналов и «мертвых» пространств, где мог бы застаиваться и затвердевать тампонажный раствор; обеспечивать непрерывность в работе; легко регулироваться по

истирания раствором; подача насоса должна быть равна про­ ектному потреблению тампонажного раствора сразу нескольки­ ми скважинами; развивать напор, в 3—4 раза больший макси­ мального гидростатического давления подземных вод.

Наиболее полно этим требованиям отвечают поршневые и плунжерные насосы с шаровыми клапанами. Специальных там­ понажных насосов в СНГ не изготавливают. Поэтому для на-

гнетания цементационных растворов используют насосы, пред­ назначенные для перекачки вязких и густых жидкостей.

В практике цементации и глинизации находят применение насосы, техническая характеристика ряда которых приведена

втабл. 5.9.

Впоследние годы для предварительного тампонирования во­ доносных горных пород при строительстве вертикальных ство­ лов глубиной до 1200 м получили значительное распростране­ ние самоходные цементационные агрегаты ЦА-320М в ком­ плексе с цементосмесительными машинами 2СМН-20.

Техническая характеристика самоходного цементационного агрегата ЦА-320М

Кроме агрегата ЦА-320М, промышленность изготовляет цементационные агрегаты ЭЦА-400, имеющие насос ЮТ с подачей 16—119 м3/ч и давлением нагнетания 40—7,9 МПа.

Для нагнетания силикатных и химических растворов ис­ пользуют поршневые и ротационные насосы. Наиболее универ­ сальными являются поршневые насосы. Несмотря на большие

Рис. 5.13. Оборудование для цементации из забоя ствола (а ) — комплекс КЦМ-2м:

ловка; 3 — цементационный агрегат ЦА-320М; 4 —емкость для раствора; 5 —смеситель­ ная машина 2СМ(2СМ-20)

размеры и массу по сравнению с ротационными, поршневые насосы могут обеспечить более точное регулирование подачи раствора при высоких напорах нагнетания.

Анализ технических и рабочих характеристик поршневых насосов показывает, что из существующих типов наиболее пол­ но требованиям для нагнетания химических растворов отвечает насос ХТР-1,5/200, а также насосы-дозаторы типа НД. Насос ХТР-1,5/200 изготовлен из нержавеющей стали и имеет плав­ ное регулирование подачи, обеспечивает высокие технико-эко­ номические показатели. Насосы-дозаторы типа НД (НД-2500/10, НД-400/16, НД-25/250, НД-40/160) имеют незначительные раз­ меры, их масса не превышает 245 кг. Многообразие насосовдозаторов типа НД позволяет выбирать агрегат, технические параметры которого наиболее полно отвечают технологии работ.

Из ротационных насосов наибольший интерес для примене­ ния при нагнетании химических растворов в горные породы мо­ гут представлять винтовые и шестеренчатые насосы. Они про­ сты по конструкции, компактны и надежны в эксплуатации.

2 до 500 м3/ч) при давлении до 20 МПа, однако их конструкция не обеспечивает возможности регулирования параметров нагне­ тания.

Шестеренчатые насосы (НШ-10, БГ) в настоящее время наиболее распространены среди других видов ротационных на­ сосов. Они могут обеспечивать подачу жидкости в широких пределах.

Кроме насосов, нагнетание силикатных и химических рас­ творов может быть осуществлено с помощью пневматических установок, представляющих собой цилиндрические емкости вместимостью 500 и 1000 л, рассчитанные на давление до 0,8 МПа. Емкость оборудуют водомерным стеклом, манометром, предохранительным клапаном, впускными и выпускными кла­ панами. Для механизации тампонажных работ на базе имею­ щегося оборудования предложен ряд комплексов, предназна­ ченных для цементации пород из забоя ствола и с поверхности земли.

На рис. 5.13 показано размещение оборудования для веде­ ния цементационных работ из забоя ствола и с поверхности земли.

5.3.2. Схемы тампонирования

По месту производства работ по тампонированию различа­ ют: тампонирование через скважины, пробуренные с земной по­ верхности, и тампонирование через скважины, пробуренные из

сравнительно большой глубине от поверхности. В забое выра­ ботки возводят тампонажную подушку (перемычку), через ко­ торую бурят скважины для нагнетания раствора.

В отдельных случаях возможна комбинация вышеназванных схем. При этом первоначально с поверхности земли при помо­ щи малого числа тампонажных скважин, пробуренных на пол­ ную глубину, тампонируют наиболее крупные трещины и пус­ тоты, дающие основной приток воды и газа. На втором этапе тампонирование производят из забоя выработки при вскрытии мелкотрещиноватых пород, которые не были затампонированы с поверхности земли.

Целесообразность применения той или иной схемы тампони­ рования определяется на основании технико-экономического сравнения вариантов исходя из горно-геологических условий за­ легания горных пород, их характеристики, применяемого там­ понажного оборудования, организации работ и др.

При тампонировании пород с поверхности работы выполня­ ют сразу на всю проектную глубину — тампонаж одной заходкой (рис. 5.15,а); отдельными нисходящими заходками опре­ деленной высоты в направлении сверху вниз (рис. 5.15,6); от­ дельными восходящими заходками в направлении снизу вверх (рис. 5.15,в).

Наиболее просто выполняются работы по тампонированию

и расход раствора по глубине скважин, особенно при большой мощности и неравномерной трещиноватости горных пород, бу­ дут различны, поэтому условия тампонажа массива пород, а следовательно, и качество работ по глубине будут неодинако­ выми. Поэтому массив горных пород целесообразно разбить на отдельные заходки. Высота заходки зависит от горно-геологи­ ческих условий и колеблется от 15 до 25 м. Такую схему при­ меняют в случае, когда водоносные породы имеют большую мощность и залегают неглубоко от поверхности земли, породы в пределах каждой заходки должны иметь равномерную трещи­ новатость.

При тампонаже горных пород нисходящими заходками ра­

тампонажным материалом требуемой прочности скважины раз­ буривают до глубины второй заходки и работы по тампонажу повторяют. После этого опять скважину разбуривают и углуб­ ляют на глубину третьей заходки и так далее до тех пор, пока не будет затампонирован массив пород на всю глубину.

Достоинствами этой схемы являются простота операций по

герметизации устьев скважин, высокое качество тампонажа вследствие многократного тампонажа верхних зон, возможность нагнетания тампонажного раствора под повышенным давлени­ ем, так как над каждой последующей тампонируемой зоной за­ легает зона затампонированных пород, минимальное зашламование трещин в горных породах в процессе их бурения.

К недостаткам этой схемы следует отнести: необходимость многократного перемещения бурового станка, а также значи­

пород, а нагнетание раствора осуществляют отдельными заход­ ками снизу вверх. Для разделения заходок применяют специ­ альные уплотнительные устройства (пакеры). В этом случае тампонаж горных пород целесообразно применять при наличии по глубине пород разобщенных водоносных горизонтов и при отсутствии в тампонируемой зоне вертикальных трещин и ка­ налов, по которым тампонажный раствор может пройти в сква­ жину выше уплотнительного устройства, что может привести к потере тампонажной скважины. Достоинствами этой схемы яв­ ляются резкое снижение объема буровых работ, более простая их организация. К недостаткам этой схемы следует отнести

сложность работ по установке и демонтажу уплотнительных устройств.

В отдельных случаях может быть применена схема, при ко­ торой нагнетание тампонажного раствора осуществляют в пол­ ностью изолированный водоносный участок. Для этого уплот­ нительные устройства устанавливают как в кровле, так и в поч­ ве участка.

Основным элементом уплотнительных устройств является резиновый или кожаный элемент, с помощью которого герме­ тизируют пространство между стенками скважины и трубы для подачи тампонажного раствора. Уплотнительный элемент кре­ пят к концу трубы и устанавливают в скважине выше участка, подлежащего тампонированию. Герметизация скважины дости­ гается деформацией уплотнительного элемента, осуществляемой различными способами: механическим, гидравлическим, гид­ равлико-механическим.

При тампонировании пород на большие глубины нашли при­ менение механический пакер ДАУ-1, двойной механический пакер ДАУ-1-2, гидромеханическая пробка ДАУ-2. Наиболее ши­ рокое распространение получил пакер ДАУ-1, сконструирован­ ный в объединении «Спецтампонажгеология». Общая длина пакера ДАУ-1 — 1940 мм, наружный диаметр его — 89— 120 мм; длина набора резиновых манжет — 500 мм; масса — 57 кг. Па­ кер рассчитан на рабочее давление 30 МПа для работы в сква­ жинах с номинальным диаметром 92 мм. Для скважин диамет­ ром 112, 92, 76, 59 мм разработан нормальный ряд пакеров ДАУ-1.

ВНИИОМШСом разработан тампон-пакер ТРП-93 (тампон распорный проходной для скважин диаметром 93 мм), который рассчитан на максимальные давления 15 МПа.

По способу нагнетания раствора в скважины различают за­ жимную, циркуляционную и полуциркуляционную схемы там­ понирования горных пород (рис. 5.16).

аI

Рис. 5.16. Нагнетание тампо­ нажного раствора в скважи­ ну по зажимной (а), цирку­ ляционной (б) и полуциркуляционной (в) схемам