Цементация горных пород

Цементация с поверхности земли. При предварительной цементации с поверхности земли вокруг ствола бурят вертикальные скважины по окружности диаметром на 3—4 м больше диаметра ствола в про­ходке, на расстоянии 2—3 м одна от другой. Скважины в наносах и пересекаемых неустойчивых породах крепят обсадными трубами. В зоне, подлежащей цементации, стенки скважины должны оставаться открытыми, чтобы цементный раствор' мог свободно проникать в трещины пород. Конечный диаметр цементационных скважин равен 56—73 мм, а начальный — 116—168 мм. Бурение и цементацию сква­жин ведут заходками по 10—25 м в направлении сверху вниз. Через 2—3 суток после окончания цементации верхнего участка скважины разбуривают и углубляют дальше на высоту следующей заходки и т. д.

Для контроля за качеством цементации бурят 4—6 скважин в диаметрально-противоположных точках по окружности диаметром на 3—4 м больше диаметра окружности, на которой располагают це­ментационные скважины, и 1—2 скважины в сечении ствола. В контрольных скважинах определяют удельное водопоглощение зацементированных пород и производят непосредственный осмотр стенок скважин специальным прибором — перископов. Характер и степень заполнения трещин цементным раствором устанавливают также по кернам пород из контрольных скважин.

Тампонаж считается качественным, если удельное водопоглощение зацементированных пород менее 0,01 л/мин. При большем водопоглощении дополнительно нагнетают цементный раствор через контрольные скважины.

Для контроля за ходом заполнения трещин, плотности зацементированной зоны, фактического радиуса цементации пород используют также радиоактивные изотопы.

После окончания цементации проходят ствол обычным способом при значительно меньших притоках воды.

Предварительная цементация пород с поверхности дает хорошие результаты также по снижению выделения метана.

Цементация из забоя ствола. Предварительную цементацию пород из забоя ствола осуществляют заходками глубиной 12—20 м. Цемен­тационные скважины бурят тяжелыми бурильными машинами или специальными бурильными станками.

Рис. 143. Тампонажные подушки: а — плоская; б — сферическая

В целях предотвращения прорыва в ствол в процессе бурения цементационных скважин воды, газа или цементного раствора в период его нагнетания, не доходя 2—3 м до водоносных пород, в забое ствола укладывают тампонажную бетонную подушку плоской (рис. 143, а) или сферической (рис. 143, б) формы. Ее боковые грани составляют с горизонтом угол а = 55—60°.

Толщину бетонных подушек В определяют расчетом, обычно она составляет 1,0—2,5 м; при большей толщине бетонные подушки делают ступенчатыми, так как при этом вынимается меньший объем породы и расходуется меньше бетона.

Для придания цементационным скважинам соответствующего направления, а также для нагнетания в них цементного раствора и в случае необходимости для перекрытия воды, встреченной скважиной, в тампонажной подушке при ее возведении заделываются направляющие трубки. При отсутствии тампонажной подушки направляющие трубки вставляются в цементационные скважины, пробуренные большим диаметром, а пространство между ними и стенками скважин заполняется цементным раствором.

Число цементационных скважин зависит от характера трещиноватости пород и обычно колеблется от 10 до 20. Глубина скважин соответствует величине принятой заходки (h = 12 -f- 20 м); начальный диаметр скважин принимается равным 50—75 мм, а конечный — 30—50 мм. Расстояние а от осей скважин до стенок ствола (рис. 144, а) определяется удобствами бурения; обычно оно равно 0,3—0,5 м.

После укладки подушки и твердения бетона (примерно 7 дней), через направляющие трубки нагнетают воду до давления, превышающего на 10—20 кГ/см² проектируемое давление цементного раствора.

Затем направляющие трубки оборудуют цементационными головками (рис. 144, б). Задвижка 1 служит для перекрытия скважины в период бурения при замене буров, задвижка'2 — для выпуска промывочной воды, разъемный сальник 3 — для предотвращения прорыва воды при смене буров. Напор воды измеряется манометром 4.

Сначала бурят две скважины, расположенные по концам диаметра сечения ствола. После окончания бурения приступают к нагнетанию через них цементного раствора и начинают бурить следующие две скважины, расположенные на диаметре, перпендикулярном первому, и т. д. Такой порядок позволяет совместить бурение и тампонаж, исключает проникновение цементного раствора из одной скважины в другую и обеспечивает тампонирование пород при минимальном числе скважин.

По окончании бурения каждой скважины разъемный сальник снимают и на его место присоединяют гибкий шланг, идущий от нагне­тательного става цементационного насоса. Перед нагнетанием цемент­ного раствора скважины промывают чистой водой. После окончания цементации заходки проверяют качество тампонирования, определяя удельное водопоглощение пород, а затем приступают к проведению ствола в пределах данной заходки.

Рис. 144. Расположение и оборудование цементационных скважин при тампонировании из забоя: а — расположение тампонажных скважин; б — оборудование головки направляющих трубок

Работы начинают с разборки бетоноломами тампонажной подушки. Выемку породы в зацементированной зоне производят обычным спо­собом с применением буровзрывных работ. Величина заряда ВВ и глубина шпуров принимается меньше, чем при обычной проходке, во избежание образования трещин в зацементированных породах. Работы прекращаются, когда до нижней границы зацементированной зоны остается 2—3 м. После укладки новой тампонажной подушки и возведения в пройденном участке ствола постоянной крепи присту­пают к цементации следующей заходки.

Для проходки стволов способом цементации из забоя имеются комплексы оборудования, включающие бурильные машины, цемента­ционные насосы, оборудование для приготовления и доставки цемент­ных растворов и др.