способ оценки качества цементационного упрочнения массива горных пород

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение скважин на контролируемом участке, поинтервальное определение трещинной пустотности упрочненного участка массива путем измерения в скважинах удельного электросопротивления горных пород, отличающийся тем, что до упрочнения измеряют трещинную пустотность и глубину зоны трещиноватости в массиве, по результатам измерений определяют суммарные объемы пустот в контролируемом объеме трещиноватого массива горных пород до и после упрочнения в i-й скважине j-го сечения по формуле



где глубина проникновения тока в массив, равная половине разноса питающих электродов;

m трещинная пустотность нетронутого массива;

удельное электросопротивление нетронутого массива;

_ij(r) измеряемая в i-й скважине j-го сечения зависимость удельного электросопротивления массива горных пород от радиальной координаты r, отсчитываемой от оси выработки в глубь массива;

R_в радиус выработки;

R глубина зоны трещиноватости от контура выработки,

для участка выработки по формуле



где угловая координата в сечении выработки;

Z координата по оси выработки;

q центральный угол, образованный границами контролируемого объема в сечении выработки;

L длина участка выработки,

а о качестве упрочнения судят по соотношению этих суммарных объемов пустот.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горно-рудной промышленности и может быть использован при цементационном упрочнении горных пород.

Известен способ определения заполнения трещин, включающий бурение скважин, добавление в вяжущее вещество металлического порошка, нагнетание раствора, измерение электросопротивления пород до и после нагнетания и определение степени заполнения трещин по совпадению обратной полярности пиковых значений полученных графиков [1] Данный способ недостаточно точен, поскольку реагирует только на количество раствора, проникшее в трещины, и не учитывает исходной нарушенности горных пород.

Известен также способ оценки качества упрочненных горных пород скрепляющими растворами, включающий бурение контрольной скважины в упрочненном массиве, нагнетание в нее раствора электролита (технической воды) до полного насыщения им контролируемого участка массива и определение степени заполнения трещин по отношению электросопротивлений упрочненных и ненарушенных пород [2] Данный способ позволяет оценить остаточную трещинную пустотность, определить расположение и размеры зон горных пород с неполным заполнением технологических трещин цементным камнем. Недостатки способа состоят в следующем. Способ основан на сопоставлении трещинной пустотности упрочненного участка массива и ненарушенного массива за пределами зоны трещиноватости, т.е. он предполагает относительную оценку объемов остаточных пустот после заполнения трещин цементным камнем. Объем остаточных пустот является характеристикой упрочненного массива и определяет его прочностные и фильтрационные свойства, однако он не определяет качество цементации, т.е. правильность выбора схемы, нагнетательной установки, режима нагнетания и степень их реализации при цементационных работах. Иными словами, при малых остаточных пустотах качество цементации может быть низким в случае, если объем пустот в массиве был низким до упрочнения, и наоборот при высоком уровне остаточных пустот качество цементации может быть высоким при сильной нарушенности массива.

Кроме того, способ позволяет оценивать свойства массива в отдельных его точках, в то время как при цементации воздействию подвергается объем массива. Привязка результатов контроля по данному способу к контролируемым объемам массива отсутствует.

Цель изобретения повышение точности оценки качества цементационного упрочнения массива горных пород за счет определения суммарных объемов пустот в контролируемом объеме зоны трещиноватости массива до и после упрочнения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение скважин на контролируемом участке, поинтервальное определение распределения трещинной пустотности массива путем измерения в скважинах удельного электросопротивления горных пород и оценку эффективности упрочнения путем сопоставления результатов измерений, до упрочнения дополнительно измеряют глубину зоны трещиноватости в массиве, по результатам измерений трещинной пустотности определяют суммарный объем пустот в контролируемом объеме трещиноватого массива горных пород до и после упрочнения путем суммирования поинтервальных объемов пустот, а о качестве упрочнения судят по соотношению этих суммарных объемов пустот.

Поставленная цель достигается также тем, что контролируемый объем массива горных пород определяют для одной скважины как объем цилиндра с высотой, равной глубине зоны трещиноватости в массиве, и радиусом, равным глубине проникновения тока в массив, а для участка выработки как объем сектора полого цилиндра с высотой, равной внешним границам контролируемого объема по длине выработки, внутренним радиусом, равным радиусу выработки, внешним радиусом, равным сумме радиуса выработки и глубины зоны трещиноватости, и центральным углом, образованным внешними границами контролируемого объема в сечении выработки.

На фиг. 1 представлена схема расположения одиночной контрольной скважины и результаты измерений в ней; на фиг. 2 схема расположения контрольных скважин на участке выработки и результаты оценки качества упрочнения.

На чертежах обозначено: 1 выработка; 2 контрольная скважина; 3 электроды электрометрического зонда AMNB; 4 контролируемая зона; m трещинная пустотность горных пород; m значение m вне нарушенной зоны; удельное электросопротивление горных пород; r координата от оси выработки в глубь массива; П₀, П₁ суммарная пустотность в контролируемом объеме соответственно до и после упрочнения; R глубина зоны трещиноватости в массиве от контура выработки; глубина проникновения тока в массив; центральный угол контролируемого объема; Z координата по длине выработки; L длина участка контролируемого объема; R_в радиус выработки; угловая координата в сечении выработки.

Осуществляется способ следующим образом.

В выработке 1 до цементации бурят контрольные скважины 2, которые располагают веерообразно по длине выработки (фиг. 2). В скважинах 2 до и после цементации измеряют поинтервально удельное электросопротивление пород с помощью электрометрического зонда 3 с электродами AMNB и измерительного прибора, включающего источник тока, амперметр и вольтметр. По результатам измерений в скважине 2 получают график зависимости (r) (фиг. 1). Величина трещиноватой горной породы при измерениях перпендикулярно к плоскости трещин зависит от величины трещинной пористости m (Иванов В.В. Простов С.М. Дырдин В.В. Зависимость электросопротивления высокопроводящих трещиноватых пород от механических напряжений // Изв. вузов. Горный журнал. 1979. N 11. С. 6-10):

=1 + , (1) где _п электросопротивление нетрещиноватой породы;

средняя относительная площадь скального контакта между берегами трещин, отнесенная к единице площади поверхности.

Учитывая, что _п и постоянны, а также m/ >> 1, выразим зависимость m от координаты r:

m(r)= (r), (2) где m значение m в ненарушенной зоне, определяемое по данным геологической разведки;

значение в ненарушенной зоне. Из (2) следует, что графики m(r) и (r) при соответствующем подборе масштаба совпадают.

Зависимость (2) справедлива как для нарушенного неупрочненного, так и для упрочненного цементацией массива, поскольку после отфильтровывания жидкой фазы, химического связывания влаги, образования цементного камня и его усадки зацементированный массив через 12-15 сут после закачки приобретает естественную влажность, при которой электросопротивление цементного камня не отличается от электросопротивления породы. При этом цементный камень частично заполнит трещины породы, а зависимость (2) отразит распределение остаточной трещинной пористости.

По результатам измерений и полученным графикам m(r) определяют суммарный объем пустот в контролируемом объеме 4 массива. Радиус контролируемого объема 4 при электрометрических измерениях в i-й скважине j-го сечения соответствует глубине проникновения тока в массив, которая равна половине разноса питающих электродов A и B. Таким образом, суммарный объем пустот в контролируемом цилиндрическом объеме массива определится из выражения, которое определяет площадь заштрихованной фигуры под графиком m(r) на фиг. 1:

П_ij= m(r)dr (r)dr (r_к)r, где r_к координата k-й точки замера;

r шаг измерений в скважине;

n количество замеров в скважине в пределах зоны трещиноватости.

Глубину зоны трещиноватости R измеряют до упрочнения путем измерения на графике (r) расстояния от контура выработки до точки замера, в которой значение становится равным (фиг. 1).

Для участка выработки контролируемый объем определится как объем сектора полого цилиндра с внутренним радиусом, равным R_в, внешним R_в+R, высотой L и центральным углом (см. фиг. 2):

П m(r,,Z)rdrddZ (_i,Z_j)_iZ_j, где среднее значение m в контролируемом объеме i-й скважины j-го веера;

; _i угол между соседними скважинами в веере;

a количество скважин в веере;

Z_j расстояние между соседними веерами в выработке;

b количество вееров контрольных скважин.

Качество цементационного упрочнения определяют по соотношению значений П₀ и П₁ до и после цементации с требуемой степенью детальности: по отдельным скважинам, по веерам скважин (сечениям) или по выработке в целом:

K . (5)

Таким образом, существенными отличиями предлагаемого способа являются следующие:

1. Оценку эффективности упрочнения осуществляют не поинтервально, т.е. в отдельных точках массива, а в контролируемом объеме, форму и размеры которой определяют, исходя из физических процессов, происходящих при электрометрических измерениях и формирующих величину измеряемого сигнала. Определение суммарного объема пустот не является суммированием известного эффекта, т.к. пределы суммирования определяются контролируемым объемом, для выявления которого необходимо измерять глубину зоны трещиноватости в массиве.

2. Эффективность цементации оценивают не путем поинтервального сопоставления контролируемого параметра после цементации со значением, соответствующим ненарушенным породам, что фактически позволяет выявить неоднородность свойств упрочненных горных пород, а по соотношению суммарных объемов пустот в контролируемом объеме зоны трещиноватости до и после цементации. Это, в частности, требует обязательного проведения измерений распределения трещинной пустотности до упрочнения.

П р и м е р. В главном квершлаге гор. + 180 м ш. Нагорная концерна Кузнецкуголь протяженностью 380 м было заложено 8-мь контрольных станций, на которых веерообразно пробурили по 5-ть шпуров ( _i 40^о, = 160^о). В связи с неоднородностью геологического строения массива веера располагали неравномерно по длине квершлага, их приурочивали к тектоническому нарушению, контактам пород с угольными пластами, сопряжениям с выработками. Упрочнение пород проводили цементным раствором состава Ц:В 1:1 по зажимной схеме при давлении 1 МПа с шагом сетки 2 м.

Контрольные измерения в шпурах проводили за 10-ть дней до начала цементации и через 30-ть дней после ее окончания. Суммарный объем пустот и значения K определяли по отдельным шпурам и по веерам шпуров.

Результаты измерений и расчетов представлены в таблице.

В результате проведенного контроля установлено, что заполнение пустот цементным камнем составило в основном от 0,2 до 0,3, достигая в отдельных случаях 0,4-0,45. В бортах выработки (шпуры 1 и 5) эффективность цементации выше, чем в своде (шпуры 2-4). Рекомендовано провести повторное упрочнение во всем сечении на интервале между пикетами 28 и 29 (район пересечения тектонического нарушения), а также в сводовой части на участке между пикетами 3-7 и 34-37.