Способ проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах, залегающих с поверхности земли

СПОСОБ ПРОХОДКИ ШАХТНОГО СТВОЛА В РЫХЛЫХ ГРУНТАХ, ЗАЛЕГАЮЩИХ С ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, в частности,для создания противофильтрационных завес при строительстве вертикальных шахтных стволов и карьеров. Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах способом тампонажа и снижение потерь тампонажного раствора. Решение задачи изобретения достигается тем, что шахтный ствол проходят методом тампонажа через расположенные по контуру шахтного ствола основные тампонажные скважины. При этом также методом тампонажа с помощью сетки вспомогательных скважин предварительно формируют монолитный горизонтальный противофильтрационный экран переменной мощности,которую определяют по формуле в зависимости от расстояния до ближайшей нагнетательной тампонажной скважины. По центру контура шахтного ствола пробуривают дополнительную гидравлическую скважину для создания подпора гидравлической жидкости в процессе тампонажа через основные тампонажные скважины, который способствует вытеснению тампонажного раствора в зону формирования вертикальной противофильтрационной завесы. Тем самым снижают непроизводительный расход тампонажного раствора и избегают значительной цементации(упрочнения) рыхлых грунтов в пределах контура шахтного ствола, что способствует облегчению их выемки и сокращает сроки проходческих работ. Смычник Анатолий Данилович,Шемет Сергей Федорович, Усенко Виктор Семенович, Щербаков Герард Афанасьевич, Шутин Сергей Георгиевич (BY) Шемет С.Ф. (BY) Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, в частности, для создания противофильтрационных завес при строительстве вертикальных шахтных стволов и карьеров. Одной из сложных проблем проходки шахтных стволов в наносах - рыхлых, часто обводненных грунтах (породах) является выдавливание находящегося под высоким давлением тампонажного раствора через пустоты на поверхность земли. Это происходит, например, при проходке шахтного ствола, предусматривающей формирование противофильтрационной завесы вокруг проектного контура шахтного ствола. В результате растут потери тампонажного раствора, увеличиваются сроки проходки шахтного ствола и возникает необходимость в применении специальных мер по ликвидации аварийных ситуаций. Разработка способов предотвращения этого явления позволит повысить эффективность и экономичность шахтопроходческих работ. Известен способ тампонажа горных пород с неоднородной трещиноватостью, включающий бурение основных и дополнительных скважин по контуру шахтного ствола, расширение трещин посредством подачи под давлением воды в дополнительные скважины, нагнетание тампонажного раствора на основе цемента в основные скважины с контролем тампонажа по поглощению тампонажного раствора [1]. Недостатком этого способа является низкая эффективность при использовании в рыхлых приповерхностных обводненных грунтах из-за высокой проницаемости и подвижности таких грунтов. Известен также способ формирования изоляционной завесы вокруг горных выработок, включающий бурение нагнетательных скважин, стадийное нагнетание тампонажного раствора в межскважинное пространство, непрерывную регистрацию технологических параметров, контроль тампонажа по значению коэффициента поглотительной способности скважин [2] - прототип. Недостатками прототипа являются необходимость постадийного ведения работ, формирование на каждой стадии основных и дополнительных нагнетательных скважин и осуществление большого числа операций по контролю тампонажа. Это значительно увеличивает время и стоимость создания противофильтрационной завесы. Кроме того, он мало эффективен при использовании в рыхлых приповерхностных обводненных грунтах. Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах способом тампонажа и снижение потерь тампонажного раствора. Решение задачи заявленного изобретения достигается тем, что в способе проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах, залегающих с поверхности земли, включающем бурение одного или нескольких рядов скважин вокруг проектного контура шахтного ствола, нагнетание тампонажного раствора во вмещающие шахтный ствол грунты, выдерживание его до затвердевания и контроль качества гидроизоляции, на начальном этапе внутри и снаружи проектного контура шахтного ствола с поверхности земли, предпочтительно по квадратной сетке, бурят на расчетную глубину вертикальные вспомогательные скважины, в которые под давлением, меньшим давления вспучивания поверхностных слоев грунта и большим гидростатического давления вод, нагнетают тампонажный раствор таким образом, чтобы после его отверждения сформировать монолитный горизонтальный противофильтрационный экран; одновременно вокруг контура шахтного ствола до подстилающих рыхлые грунты пород бурят в один или несколько рядов основные тампонажные скважины, а по оси шахтного ствола - дополнительную гидравлическую скважину; по завершении формирования горизонтального противофильтрационного экрана формируют вертикальную противофильтрационную завесу, для чего посредством основных тампонажных скважин в рыхлый грунт закачивают под давлением тампонажный раствор и, одновременно, в гидравлической скважине поддерживают в режиме пульсации давление нетвердеющей гидравлической жидкости, большее или равное давлению тампонажного раствора в основных тампонажных скважинах, при этом в качестве гидравлической жидкости используют жидкость или раствор, коэффициент фильтрации которых ниже коэффициента фильтрации тампонажного раствора; после формирования во всем интервале залегания рыхлых грунтов вертикальной противофильтрационной завесы и выдерживания до отверждения осуществляют разрушение и выемку грунтов из контура шахтного ствола любым известным способом, при этом тампонирование посредством вспомогательных скважин и формирование вертикальной противофильтрационной завесы осуществляют на всю глубину или послойно, предпочтительно в направлении от забоя скважины к ее устью, а глубину вспомогательных скважин определяют в зависимости от требуемой мощности горизонтального противофильтрационного экрана, которую вычисляют из соотношения где mi - мощность горизонтального противофильтрационного экрана на расстоянии ri до ближайшей основной тампонажной скважины;ri-1-ri, - интервал, на котором определяют mi; т и г - плотности тампонажного раствора и рыхлого фунта соответственно; сц - прочность сцепления рыхлого грунта при сдвиге;Q - расход тампонажного раствора на основной тампонажной скважине;h - эффективная высота коллектора для нагнетания тампонажного раствора на основной тампонажной скважине;kф - коэффициент фильтрации тампонажного раствора;kз - коэффициент запаса. Эффективную высоту коллектора h выбирают в зависимости от принятого метода тампонирования на всю глубину или послойно. На фиг. 1 представлен общий вид схемы проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах по предлагаемому способу; на фиг. 2 - вид в плане. Способ осуществляют следующим образом. Внутри и снаружи проектного контура 1 шахтного ствола 2 с поверхности земли 3 в контуре 4 формируемого горизонтального противофильтрационного экрана 5 предпочтительно по квадратной сетке 6 бурят на расчетную глубину вертикальные вспомогательные скважины 7. Через вспомогательные скважины 7, начиная от центральных вспомогательных скважин к периферийным, под давлением, меньшим давления вспучивания поверхностных слоев рыхлого грунта 8 и большим гидростатического давления вод (для обводненных рыхлых грунтов), в рыхлый грунт 8 нагнетают тампонажный раствор 9 таким образом, чтобы контуры зон тампонирования 10 вокруг вспомогательных скважин 7 перекрывались, образуя после твердения тампонажного раствора 9 горизонтальный противофильтрационный экран 5. Параметры сетки 6 вспомогательных скважин 7 вычисляют в зависимости от среднего радиуса зоны тампонирования 10 вокруг индивидуальной вспомогательной скважины 7, который определяют экспериментальным путем по результатам тампонирования первых вспомогательных скважин 7. После формирования центральной части 11 горизонтальной гидроизоляционной завесы 5 по контуру 1 шахтного ствола 2 до подстилающих рыхлые грунты пород 12 бурят в один или несколько рядов вертикальные нагнетательные скважины 13, а по оси шахтного ствола - дополнительную гидравлическую скважину 14. По завершении формирования горизонтального противофильтрационного экрана 5 формируют вертикальную противофильтрационную завесу 15, для чего посредством основных тампонажных скважин 13 под высоким давлением, выбираемым в зависимости от диаметра шахтного ствола 2, коэффициента фильтрации рыхлых грунтов 8, плотности тампонажного раствора и др. параметров в рыхлый грунт 8 подают тампонажный раствор 9. Одновременно для создания подпора и предотвращения фильтрации тампонажного раствора 9 внутрь контура 1 шахтного ствола 2 в гидравлической скважине 14 поддерживают в режиме пульсации давление нетвердеющей гидравлической жидкости 16, большее или равное давлению тампонажного раствора 9 в основных тампонажных скважинах 13. Тем самым снижают непроизводительный расход тампонажного раствора 9 и избегают цементации (упрочнения) рыхлых грунтов 8 в пределах контура 1 шахтного ствола 2. Это способствует облегчению их разрушения, выемки и сокращает сроки проходческих работ. В качестве гидравлической жидкости 16 используют жидкость или раствор, коэффициент фильтрации которых ниже коэффициента фильтрации тампонажного раствора 9 и предпочтительно плохо смешиваются с ним. После того как тампонажный раствор 9 заполнит пустоты между частицами рыхлого грунта 8 вокруг контура 1 шахтного ствола 2, его выдерживают под давлением до затвердевания. В результате формируется монолитная вертикальная противофильтрационная завеса 15. Контроль тампонажа осуществляют по известным методикам, например геофизическими методами, по изменению остаточного давления в скважине или по изменению ее поглотительной способности. После завершения формирования вертикальной противофильтрационной завесы 15 во всем интервале залегания рыхлых грунтов 8 осуществляют разрушение и выемку грунтов из контура 1 шахтного ствола 2 любым известным способом. При этом часть вертикальной противофильтрационной завесы 15,выходящую за пределы контура 1 шахтного ствола 2, сохраняют ненарушенной, тем самым обеспечивая защиту от проникновения поверхностных и грунтовых вод в шахтный ствол 2. Тампонирование посредством вспомогательных скважин 7 и формирование вертикальной противофильтрационной завесы 15 осуществляют сразу на всю проектную глубину или послойно, предпочтительно в направлении от забоя скважины к ее устью. Вспомогательные скважины 7, основные тампонажные скважины 13, а также гидравлическую скважину 14 при необходимости (например, в случае неустойчивых грунтов) оборудуют обсадными трубами. Глубину вспомогательных скважин 7 определяют в зависимости от требуемой мощности горизонтального противофильтрационного экрана 5, которая уменьшается в радиальном направлении от контура 1 шахтного ствола 2 к периферии по мере удаления от нагнетательной скважины и которую вычисляют из соотношения (1). Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого способа проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах, залегающих с поверхности земли, обеспечивает решение задачи изобретения: повышает эффективность проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах способом тампонажа, снижает потери тампонажного раствора и может быть многократно использована при строительстве шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях. Источники информации 1. Патент RU2183273. МПК Е 21D 1/16, 20/00, опубл. 10.06.2002. 2. Патент RU2075572. МПК Е 21D 11/38, Е 02D 19/18, опубл. 20.03.1997 - прототип. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ проходки шахтного ствола в рыхлых грунтах, залегающих с поверхности земли, включающий бурение одного или нескольких рядов скважин вокруг проектного контура шахтного ствола, нагнетание тампонажного раствора во вмещающие шахтный ствол грунты, выдерживание его до затвердевания и контроль качества гидроизоляции, отличающийся тем, что на начальном этапе внутри и снаружи проектного контура шахтного ствола с поверхности земли, предпочтительно по квадратной сетке, бурят на расчетную глубину вертикальные вспомогательные скважины, в которые под давлением, меньшим давления вспучивания поверхностных слоев грунта и большим гидростатического давления вод, нагнетают тампонажный раствор таким образом, чтобы после его отверждения сформировать монолитный горизонтальный противофильтрационный экран; одновременно вокруг контура шахтного ствола до подстилающих рыхлые грунты пород бурят в один или несколько рядов основные тампонажные скважины, а по оси шахтного ствола - дополнительную гидравлическую скважину; по завершении формирования горизонтального противофильтрационного экрана формируют вертикальную противофильтрационную завесу, для чего посредством основных тампонажных скважин в рыхлый грунт закачивают под давлением тампонажный раствор и одновременно в гидравлической скважине поддерживают в режиме пульсации давление нетвердеющей гидравлической жидкости, большее или равное давлению тампонажного раствора в основных тампонажных скважинах, при этом в качестве гидравлической жидкости используют жидкость или раствор, коэффициент фильтрации которых ниже коэффициента фильтрации тампонажного раствора; после формирования во всем интервале залегания рыхлых грунтов вертикальной противофильтрационной завесы и выдерживания до отверждения осуществляют разрушение и выемку грунтов из контура шахтного ствола любым известным способом, при этом тампонирование посредством вспомогательных скважин и формирование вертикальной противофильтрационной завесы осуществляют на всю глубину или послойно, предпочтительно в направлении от забоя скважины к ее устью, а глубину вспомогательных скважин определяют в зависимости от требуемой мощности горизонтального противофильтрационного экрана, которую вычисляют из соотношения где mi - мощность горизонтального противофильтрационного экрана на расстоянии ri до ближайшей основной тампонажной скважины;r i+1 - ri - интервал, на котором определяют mi; т и Г - плотности тампонажного раствора и рыхлого грунта соответственно; сц - прочность сцепления рыхлого грунта при сдвиге;Q - расход тампонажного раствора на основной тампонажной скважине;h - эффективная высота коллектора для нагнетания тампонажного раствора на основной тампонажной скважине;kф - коэффициент фильтрации тампонажного раствора;