Министерство угольной промышленности СССР

Научно-исследовательский институт строительства угольных и горно-рудных предприятий (Куэниишахтострой)

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДАВЛЕНИЙ НАГНЕТАНИЯ И РАСХОДА ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД ВОКРУГ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Кемерово

1984

Аверко, Евгений Михайлович, Максимов, «Леонид Анатольевич.

Моделирование сейсмических полей и способов их обработки/ отв. ред. Н. Н. Пузырев. — Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1984. — 85 с., ил.; 22 см. — (Тр. Ин-та геологии и геофизики / АН СССР, Сиб. отд-ние; Вып. 572).

Библиогр.: с. 79—84 (130 назв.)

1 р. 10 к. 1000 экз.

I. Соавт. — — 1. Сейсмическая разведка

550.834.015.072

№19109 19.4.5 16 №477 [84-15870ж] п вс ВКП 04.06.84 А195

1.5,    Среднее раскрытие трешкн определяют по формулам R.T.Логачева [ 8 ]

5, » ПО .    при k_e* 7,5.1(Г⁹ м2 \    (8)

, *

5,=,-1£- ,    при    7.5.10Г⁹    м2 .    (9)

16,8.1СГ¹⁴ т„*

Еслг презрительно были определены значения коэффициентов проницаемости в направлен:» основных систем тревиноватости fe# и fcj¹ (см. раздел 1.2), тс по формулам (8) и (9) рассчитывают среднее раскрытие трешкн в этих системах 0 ” и

1.6.    Коэффициент увеличения раскрытия трешш р определяют либо по известным деформшхионнш* характеристикам горных пород_Р полученным в результате испытания оораацов керна» либо гид рода-нвкически по изменению фильтрационной способности горного маоси-ва при резных режимах откачки или нагнетания воды в скважину_а

По деформационным характеристикам коэффициент J& определяют отдельно для каждой литологической разности вскрытых скважиной горных порок ив уравнения (9)

Если в пределах водоносного горизонта выявлены горные породы с различили значениями Р , то для дальнейших расчетов принимают их средневзвеюенное значение.

Гидродгнамлче ски коэффициент А определяют приближенно по уравнению Ф.И.Котяхова [10]

где дРпд| > аРм_г    - при нзгкетчшп' воды в скважину и

аР*л, ^< aPv,    - при откачке води из схяасши.

Необходимым условие* для расчета Р по уравнению UI) является проведение геолого-разведочной организацией гддродинаии-40QKJCC исследований в сквагике ори двух г‘ яличных режимах возму-вения водоносного горизонта (откачка или нагнетание воды), при атш энпчвяия аРц^ определяют зогласио требованию раздела 1*3.

Бели в ^дрогеологическсм заключения по какой-либо причина ore,, готвуют данные о деформационных характеристиках горних пород и последование водоносного горизонта проводилось при одном режиме его возмущения* то коэффициент fi следует определять гидродинамическим способом непосредстьенпо в npot осе про&едош&я **чеята-иконных рабЬт на первой скважине серед нагнетением цементационного растворе. С этой целы дважды при различных режимах нагнетания воды в скважину определяют прнемиотость горного маооипа

в по уравнению (II) рассчитывают веля чину коэффициенте р .

При этом AP_n*_t определяют по уравнению

А Рм* * р»₄ * Г» Ь” ~(^р», * Р« ♦ р«' ,    «*)

где потери напора P_si определяют по уравкекпо (4) о учетом (5).

Потера капора Р_ск учитывают при глубине залегания водоносного горизонта :> 300 м. Расчет величины Р** производят по уравнению Дарси-Вейобаха (4)

Р«.« ^Л-р™-<£Г"    *    «3)

$

Потера иоорв Рит зависят от раоотояккя между насосной установкой в нагнетательной окна живой, ре ахах иереходов в сечекиа в изгвбоБ нагнетательного трубопровода я рассчитывается по формулам трубно! гадравлцш (4).

Первый рев нагнетение вод; в скважину вровзводят прв давлении ва цементационном явооое Р_И1 - 0,3-0,5 Ua, во второй рва ор* p„_t - О.Я-0,3 Ша.

XI

При нагнетании боду б скважину перед замором ее расхода предварительно добивается установившегося или близкого к нему режима фильтрации в что при зажимной схеме нагнетания шгражпет-ся з прекра колебания дявлепия нагнетания P_w% * а при грануляционной - в прекращении колебания расхода нагнетаемой в скиажицу годы. Как правило, для достижения такого режима достаточно 23-30 мкцут.

При большем количестве гидравлических возмущений водоносного горизонта и достаточной достоверности подученных данных обработку гос следует вести по боле с строгой методике, учитывавшей влияние инерционных сил, о использованием программ множественной корреляции согласно уравнению

aP_Wl±    =    Cg,    f    By*    .    (14)

где знак (♦) берут при нагнетании води в скважину, о (-) - при ее откачке.

X.7. Начальное давление нагнетания на цемента хон; м насосе определяет по формуле

Ре ¹¹ А Ро “ Р$«* •

где Pg<*    (^р«*    *    ^P«i)    •    ⁽¹⁶⁾

При расчете начального давления нагнетания значение д Р₀ принимают равным ХЛО⁵ - ЗЛО⁵ Па.

При получении в формуле (Х5) значений Р₀ < 0,5Л0⁵ Па с целью контроля непрерывности потока раствора в скважине ~педует принимать Ре « 0,5Л0^ Па.

Потери напора Р_Н1 и Р** определяют оогласно рекомендациям раадела Х.6, расочитывая при этом величину Р_с* со уравнению

(17)

Значения Y_P н коэффициента К в зависимости от концентрации цементационного раствора приведены э тчблЛ прклоиония 2.

гг	л Р - . jirafS? mc,R (ip.) п ’ ь 0 = Ц 5#“ гя0 R (19) 2<Г1свИ ’ f и а в зависимости от конце trrpoicur цсиента-

1*8. Конечный перопад давления по глине потока раствора ь трещинах для первой сквахпш без учета деформируемости массива при применении нестабильных цементационных растворов (цементноводное массовое отношение П:3 С 1:1) on_t .деля^т по уравнении (16), - для стабильных (цементно-Еодное массовое отноюедаю Ц:В >■ 1:1) по уравнению (19) ] II, 12]

где

I “

*Ч о

иконных растворов приведены в табл Л приложения 2*

Значения Х₀ принимает от 0,75 до 7,5 Па соответственно дея концентраций 1:0,8 > И:В > 1:0,5, а для раст~орлЛ» с другими концентрациями следует определять в лабораторных условиях.

Коэффициент Л , который характеризует отношение трещинной проницаемости горного массива при течении цемг тгапиоккого раствора к проницаемости при течет!и в нем воды, принимает равным 0,74.

Величину R определяют графически с таким расчетом, чтоба вокруг проводимой выработки эбравоЕнвахась цементационная завеса толщиной не медее 3 м.

Если значения проницаемости и раскрытия трещин в направлении основных систем трещиноватости не определены, то для расчета следует использовать кх средапе значения.

1.9. Конечна перепад давления по длине потока раствора в трещинах для первой сгзаданы, с учетом деформируемости массива, определяют по формуле [ 13 ]

(20)

13

Коэффициент а назначают равным 2 ори Ц:В ? 1:0,5;

2,5 - ори Ц;В £ 1:1, а для остальных растворов получают путем интерполирования.

(21)

IЛ0<, свечное давление нагнетания на цементационном касо-ое для первой скважины определяют по формул

Р_к - Л Р_ь ~ Рро* ,

тдд Pj©* определяют по уравнению (16).

1*11 • Конечное давление нагнетания на цементационном наоо-ое для последующее скважин определяют по формуле (II)

(22)

Коэффициент га принимают равным 0,275 для растворов с Ц:В < 1:1

и 0,55 с И:В > 1:1.

1*12. При разработке проекта по предварительной цементации дня каждого выявленного водоносного горизонта вначале определяют Рдоа , Р₀ и л Р_к , и если коэффициент Р был определен по данным гидрогеологического заключения, то определяют аР* и Р* . Если в проекте предусматривают коэффициент Р определять в процессе проведения цементационных работ, то значения дРк и Распределяют непосредственно перед нагнетанием раствора в скважину, Давление нагнетания рассчитывают сразу для нескольких, наиболее часто вотречаошихся в практике цементации, концентраций цементных растворов и записывают их значения в таблицы. При проведения цементация, в зависимости от принятой концентрации, растворе (которая зависит от удельного водоиогжиэешад горных пород [ I,

2 ]# из таблиц берут соответствующее данной концентрации значение давления нагнетания.

2, Определение расхода тампонажных материалов

Количество цемента, необходимое для создайся вокруг одмноч-«oft скважины цементационной завесь требуемого размера, определяют по уравнение [ 14 ]

G =зт I**/    •    <*»>

При отсутствии данных об анизотропии горного массива принимают & =:.

Коэйиииент у обусловлен неточнооты определения параметров тампонируемой среды, возникновением ь процессе тпмпокиро-вания гидрораэрывов горного массива, распространением цементационного раствора по крупки* трест нам на расстояние, болъпее ао сравнению о расчетный, частичный уносом цементных частиц за пределы тампонируемой зоны. В практических расчетах прия *яют V « 2 f 6 1 .

Значение ) зависит от давления нагнетания, продолжительности опрессовки цементационного раствора в скзвжяпе и определяется остаточным цементно-водным ^тноэенцем. В про: отческих расчетах прикимаот у « 1,5 .10³ кг/м⁹, что соответствует П:В«1:0.32 115].

Однако создать цементационную завесу тре 'темы* размеров и плотности через одиночную тампонажную скважину весьма затруднительно, поэтому на праяткхе цементацию горних пород производят, как правило, через несколько скважин, пробуренных внутри или за контуром сечения сооружаемой выработки.

Количество цемента, необходимое для создания цементационной завесы требуемых размеров ори цементации горного массива через несколько скважин, рассчитывают по уравнению

О * у SLm₀ (5 >р_й Р_ср)у .    (24)

15

Контур полученной цементационной завесы определяют дутом графического построения контуров распространения тампонажных растворов вокруг одиночных скважин, при эта*, если значение $ известно, ф-рму цементацгокаой завесы вокруг одиночной скважины принимают в виде эллипса о полуосями , р* ними

т* =TR .    (25)

^ , ₍₂₆₎

а если неизвестно, то в виде окружности о радиусом, равном

t'= YR ,    (27)

Нелегалов друг на друга, построение контуру ос*язуют обвив (суммарный) контур о площадью S ,

Гои рас полове нни цементационных скважин вОлитч контура сечения сооружав .ой выработки величину 5 принимают при известном значешз коэффициента 1> равной плосади эллипса, а при яоизвеатном его значении - равной плосадн круге, описанного вокруг суммарной цементационной завесы. Плошадь эллипса при этом шределжт по уравнению

S = г R_fl •    .    (28)

Величину а Р tf в данном случае определяют как среднеарифметическое между а    и    a    Р'*и-

Величину в Рц_Я рассчитывают по уравнению

где пригашают ревшм (2,5* 3,Э)1СГ^ м²/сЛ1а (0,0X5 «о 0,08 д/иин*М'М всд.С"\Ь

Тве явное водопогломение на первой скважине

25

(30)

где    определяют из уревкоккя (3).

Для улучшения свойств цементных растворов в нкх часто добавляют различию химические добавки, такие кок жидкое стекло, хлористый кальций, хлористое железо и т.д.» количество которых следует принимать согласно рекомендацию* [ 2 }.

шахты им.ВЛ* «Генина ПО "Южкузбассуголь*    •    Исходные    даяние

для расчета следующие:

диаметр ствола в свету    6,f у

диаметр ствола в проходке    j, 5 м

расстояние от статического уровня подземных вод до    поверхности    земли    18 м

мощность водоноспого горизонты (М)    6J&I (от 18 до

СО м)

радкуо резволочных скепкги Д    0,046 м

температура подземных    вод    t    I0OC

расчетное значение радиуса влияния скважины R _ь    5780    м

расчетное значение коэффициента фильтра-    _с

ЩШ    2,31* 1(Г⁵ М/с

расчетное значение коэффициента гтьезопро-    «,

водности ж    2,23    м²/с

В табл. I пр*зедоны результаты откачек воды из центральной скважины для первого водоноске > горизонта.

17

Таблица I

Интервал? глубины,: м : Poms : ягеледо-: в^.шя : П0КИЖС1{КС yporv-; нл вода; в сква-: IC'MQ aPji , М S Расход воды :Продолки-ггоп исследрва-:телыюеть нйи 0t. 10“**м/с:откачки t;,4 ТП-ЯП I 7 3,64 93 П 10,25 5 93,0

При гидрогеологическом исследовании горного ылссква разведочные сквохины били расположены на одной пряиой, что не позволило при проектировании цементации учесть тресинцутс агшготротк»,

В денном пршоре для иллгегроцик практического применения методики определения коэффициента трещинной анизотропии & а использования его значения в дальнейших расчетах предположили наличие четырех чаблжда тельных сктзккя, в которых просаживали по-нияеняе уровня вопи вследствие ее откачки из централыюё скважины.

Расстоя1Шя от поверхности земли до установившихся динамических уровней воды в центральной и но&здательноЯ :квг с:нпх ПрИХ*СД0:Г,^г в таоя* 2.

Таблица 2

Скважина #1 :    Скважина #2    :    Скважина S3    гОкважина S4:Скважина

(централь- :    (наблздд-    г    (пабдпдд-    :(япОлгда- :S5 voaO:®-

ная), и :    тельная), и    ;    тельная), и    :тельная). »:телыт) »ы

26 22.1 22.2 22,2 22,6

Согласно рекомендация* [ 2 J цементации будем производить из технологической части ствола, пройденной до глубины 2? ы₀ через В вертикальных с квакни, расположенных на окрухяост» о диаметром равным 6,5 м.

Цементационный насоо располагаем на поверхности земли, непосредственно в сечении ствола*

3.2. Расчет гидрогеологических параметров горного массива.

По уравнению (I) рсссчатьшеем коэффициент средней проницаемости горного массива

18

Министерство угольной пром^т тленности СССР

Научно-исследовательский институт строительства угольных и горно-рудных предприятий (Куэниишахтострой)

Утверждено

Заместителем директора по научной работе института *Кузниишахтострой^г, к.т.н. Ерофеевым Л«Мо 25 нюня 1984 г.

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДАВЛЕНИЙ НАГНЕТАНИЯ И РАСХОДА ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД ВОКРУГ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Кемерово

1984

Используя рекомендации приложения 3, по лашшм зСишш 2, отроим слан гкдроизогнпс (пароизогипса проведена через отпет-ку 23 «» ом. pnoo I) л по формуле (31) определяем значение коэффициента трещинной анизотропии горного массива

£ = JL ж 0.77,

3,3

Ftec.I. Построение плава гидроизогипс

19

АННОТАЦИЯ

В работе предложен инженерный метод реи гета давлений нагнетания и расхода тампонажных материалов при проведении предварительной цементации трещиноватых горных пород на основе гидрогеологических данных_Р имеющихся у проектировщиков, приведены численные примеры расчетов.

Рекомендации являются дополнением к действующим руководящим и нормативным материалам по проведению предварительной цементации трещиноватых горных пород при сооружении капитальных горных выработок [1* 2_в 3 ] •

Использование настоящих рекомендаций позволит сократить трудоемкость и стоимость цементации, а также расход тампонажных материалов лрн обеспечении требуемого качества цементационных работ.

Работа выполнена качд.техн.наук Хямшшйненым В.А. и инж. Угляшщей А.В.

Принятые обозначения

к? - коэффициент фильтрации горного массива (принимает из гвдрогеологгяеского захлочекия) , м/с$

кл u к*₀* - коэффициенты проницаемости в направлении хзяовпых оистем трещиноватоеги₀ м2;

ко - средний коэффициент проницаемости горного массива₉мЗ;

р_ь    -    коэффициент динамической вязкости воды, Па*о?

у_в    -    удельный вео воды, к/м³;

£    -    коэффициент трещинной анизотропии;

aP_Mi    -    фактический перепад давления при исследованиях,    Па;

t    -    индекс, указывающий номер режима при проведении    гидро

динамических исследований в скважине;

aP_5i - замеренный перепел давления при исследованиях в системе "скважина-водоносккв горизонт , принимаемый равным разности статического и установившегося динамического уровня волы в скважине (принимают из гшфогеологичео-пого заключения}, Па;

Q:    -    расход воды при исследованиях (принимают ка гидрогео

логического заглочения), ыэ/с;

Pst * потери давления в прискважинной воне (снижение продаваемости при хольнатахши трещин в процессе бурения)_D

$1    - показатель скж»-еффэета$

X    - коэффициент п&е80прсводнос    £ водоносного гошзента

(принимают из гидрогеологичеезеоге заключения),, ш&/й%

t_L - прадолжительность исследований (пронимают яз гидрогеологического заключения)о с;

г - радиус скважины (приникают из гидрогеологического заключения)_е Щ

М * мошнооть водоносного горизонта (принимаю? из гидрогеологического заключения) ₀ м$

R_B - радиус влияния оквахгнн (принимают ив гидрогеологического 8акдочеяня>0м;

т₀ - коэффициент тревиноватости горного массива*

8₀    -    среднее раеирнтне тревиа» Щ

3

Sq а среднее раскрытие трещин в направлении основных систем трепкнозатости, м;

£    -    коэффициент увеличения раскрытая грешив, Па*¹;

w - коэффициент Пуассона (принимают из гшфогеодогЕчео* кого заключения);

Е - здуль two (принимают из пцфоге алогического заключения), Па;

Р_Н( - давление на цементационном насосе при проведении гидродинамических исследований, Пз;

К_ст - расстояние от цементационного насоса до статического ур-вяя подземных вод по вертикали (глубину залегания статического уровня от поверхности веыян итнсиают из гидрогеологического заключения), и;

Р_С11 - потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений скважины, Па;

Р«т -«> потеря давления яа преодоление гидравлических сопротивлений нагнетательного трубопровода, Па;

Я - коэффициент гидравлического сопротивления окважжн;

(    -    расстояние от устья скважины до оереянна цоментсдаоя-

вой заходкя, м;

5    *    ускорение силы тяжести, ы/о%$

d - диаметр скважины (принимает из гидрогеологического заклгченяя), ы;

к - коэффициент, учитывавший увеличение гидравлических

сопротивлений при переходе от нагнетания воды к нагнетание раствора;

Ор - с^днлй расход цементного раствора при тампонировании,

9 i - кассовый расход воды при иослвдоБаяйях (принимает из гидрогеологического заключения), кг/cj

С - коэффициент, учитываешь вяшеоотные потерн давления;

6    -    коэффициент, учитывающий инерционные потери давленая;

Р₀ - начальное давление нагнотапкя на цементвшюйком насосе, Па;

ДР₀ * начальный перепад давления по длине пот кв раствора в трещинах, необходимый для преодоления гшйавлЕчео-ких сопротивлений третий вблизи скважины, Па;

4

- дополнительное давление, обусловленное . ^оом раствора в вертикальной частя нагнетательного трубопровода и скважине, противодавлением пластовых вод ш гидравлическим сопротивлением сяваинны ж трубопровода, Па;

Jf_p - удельный вео растворе, ц/м⁹;

fi_B - расстояние от статического уровня подэемн* т вед до

верхней отметки цементируемых пород, оо вертикали, ы;

дР_к - конечный перепад давления по длине потока растворов в треайнах для первой охваияяы оеа учета деформируемости массива, Па;

Рт - динамическая вязкость раствора, Па*о;

а - эышсрический коэффициент, зависящий от гаментно-аодно-

го массового отношения раствора (Ц:В), м*уо;

R - меньшая полуооь эллипсовидной цементационной еавесы вокруг скважины (если коэффициент анизотропия гордых пород нен&вестея, то под к подразумевает радиус распространении раствора вокруг скважины), «;

Т₀ « предельное напряжение сдвига стабильных цементационных растворов, Па;

<1    -    эмпирический коэффициент;

а    -    коэффициент, вавиоятзий от цементно-водного массового

отношения раствора (Ц:В);

дР_к - конечный перепад давления по длине потока раствора в трегхнах для первой скважины о учетом деформируем ости массива, Па;

Р_к - конечное давление нагнетания на цементационном насосе для первой екзакиян, Па;

р' - кс**ечяое давление нагнетания на цемеятационном насосе * для пооледуошкх скважин, Оа;

(^,    -    удельное водопоглоа^ение на аервой    скважине, ы²ЛьПа;

Q    -    удельное водопоглошеяие очередной    скважины па этом

же тампонируемом участке, м2/о*Па;

пг    - коэффициент, зависящий    от цементно-водного массового

отношения раствора Ш;В);

V    - коэффициент запаса;

V    - количество цемента, каобходзаюе для образования I ы

тампонажного камня, кг/мз;

• количество цемента, необходимое для создания оаи)н-танионной завесы, кг;

L - длина цементационной скважины иди заходки, м;

R_nuR_n- оодуооя элхапса, оииоаакого вокруг цементационной завесы, м;

5    -    гчхаадь цементационной вавь^ы, м²;

дР_р - ореднеари?ыегическое значение конечша перепадов

давления по длине потока раствора в трещинах по едва-хиням_г Па;

дР_са - конечный перепад давления по длине потока раствора в трслинях для последней оквахтш о учетом дефорыируе-«ости ыасаива, Па;

Яп “ удельное водопоглошение за последней едва хине,

*    м2/с*Па;

'f - коэффициент, учитывавший уменьшение проницаемости горного массива в а рода с се его цементации;

лР^срЧ- среднеаинфметичесжое значение перепадов давления Apl ^г по приняты! концентрациям цементационного раствора«

Перевод единиц системы СИ в единицы других систем ск» приложение I*

6

ВВЕДЕНИЕ

В практике шахтного строительства находит вое большее применение предварительная цементация трещиноватых горных пород при сооружении капитальных горных выработок*

Проведение цементации требует значительные объемы цемента. БЪсход цемента в основном зависит от трещиноватости горного массива и радиуса распространения цементационного раствора вокруг скважины, который в свою очередь определяется давлением нагнетания и концентрацией раствора.

В настоящей работе на основе аналитических л экспериментальных исследований фильтрации цементационных растворов в трещиноватых горных породах» выполняемых в течение рана лет в институте "Кузкиишахтострой" (И, 13» 14 и 15), а такие обобщения известных методов определения гидрогеологических параметров горного массива предложен инженерный метод расчета давлений нагнетания и расхода тампонажных материалов.

В основу фильтрационных методов расчета давлений нагнетания и расхода материалов положено представление о течении цементационных растворов в греши нова том массиве с учетом деформируемости горных пород, седиментации цементных частики отфильтровывают жидкой фазы.

7

I. Определение давления нагнетания цементационных растворов

1*1* К нагнетания раствора следует приступать при начальном давлении, обеспечгвзюпем преодоление гидравлических сопротивлений треон вблизи с квакш, и ока тивзть нагнет ние при конечном давлении, соответствующем требуемой величине радиуса распространения раствора вокруг скважины.

Для определения конечного давления нагнетания предварительно рассчитг/ваот гидрогеологические параметры подлежащего тампо-чгрозэнкю гор ого массива. Расчет необходимых гидрогеологических параметров производят по результатам гидрогеологического заключения геолого-разведочной организации, проводившей геологические в птлродипямические исследования горного массива под сооружаемую выработку.

1*2* Средний коэффициент проницаемости горного массива определяют по формуле:

1_е * -Ц -* •    ш

«в

Значения к _ф для каждого выявленного водоносного горизонта принкуашт из гидрогеологического заключения.

Значения }*_ь в зависимости от температуры подземных вод приведены в таблЛ приложения 2.

Если гидродинамические исследования проводили одновременно на нескольких разведочных скважинах (расположенных не на одной прямой), то следует дополнительно определять коэффициенты проницаемости в направлении основных систем третий, решая совместно уравнения I в ]

(2)

^ -1Щ7

Мэтодика определения коэффициента & приведем# Я приложении Э.

8