RZECZPO SPO LITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 174723 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 306568 (22) Data zgłoszenia: 27.12.1994 ( 5 1 ) In tc l6: E21B 33/13 (54) Sposób i urządzenie do iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizoiacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego (73) Uprawniony z patentu: (43) Zgłoszenie ogłoszono: Janik Grażyna, Sławków, PL 08.07.1996 BUP 14/96 Kuś Roman, Czeladź, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.1998 WUP 09/98 (72) Twórcy wynalazku: Grażyna Janik, Sławków, PL Roman Kuś, Czeladź, PL PL 174723 B1 1. Sposób iniekcji roztworu uszczelniającego (57) do otworu, przy tworzeniu hydroizoiacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego, z roztworu gliniasto-cementowego tłoczonego rurami płuczkowymi umieszczonymi w tym otworze, znamienny tym, że w otworze (2) wykonuje się sztuczny paker (9) z roztworu gliniasto-cementowego wykorzystywanego do tworzenia hydroizolacyjnej przesłony wokół wyrobiska, poprzez tłoczenie tego roztworu najpierw pomiędzy rury płuczkowe (3) i rurę obsadową (1) zabudowaną przy wylocie tego otworu (2), do momentu jego powrotu wewnątrz rur płuczkowych (3) i pojawienia się przy wylocie otworu (2) roztworu o gęstości zbliżonej do gęstości roztworu zatłaczanego, a następnie przepłukuje się rury płuczkowe (3) roztworem gliniastym i zagęszcza roztwór gliniasto-cementowy wypełniający przestrzeń między tymi rurami i ścianami otworu (2) w zarurowanej i niezarurowanej części, po czym stabilizuje uzyskany sztuczny paker (9) i kontynuuje zatłaczanie roztworu gliniasto-cementowego rurami płuczkowymi (3) dla tworzenia hydroizolacyjnej przesłony w znany sposób. Fig. 1
Sposób i urządzenie do iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego, z roztworu gliniasto-cementowego tłoczonego rurami płuczkowymi umieszczonymi w tym otworze, znamienny tym, że w otworze (2) wykonuje się sztuczny paker (9) z roztworu gliniasto-cementowego wykorzystywanego do tworzenia hydroizolacyjnej przesłony wokół wyrobiska, poprzez tłoczenie tego roztworu najpierw pomiędzy rury płuczkowe (3) i rurę obsadową (1) zabudowaną przy wylocie tego otworu (2), do momentu jego powrotu wewnątrz rur płuczkowych (3) i pojawienia się przy wylocie otworu (2) roztworu o gęstości zbliżonej do gęstości roztworu zatłaczanego, a następnie przepłukuje się rury płuczkowe (3) roztworem gliniastym i zagęszcza roztwór gliniasto-cementowy wypełniający przestrzeń między tymi rurami i ścianami otworu (2) w zarurowanej i niezarurowanej części, po czym stabilizuje uzyskany sztuczny paker (9) i kontynuuje zatłaczanie roztworu gliniasto-cementowego rurami płuczkowymi (3) dla tworzenia hydroizolacyjnej przesłony w znany sposób. 2. Urządzenie do iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego, wyposażone w rurę obsadową i rury płuczkowe umieszczone w tym otworze, znamienne tym, że ma osprzęt zamykający wylot otworu (2), w postaci tulei (4) połączonej z rurą obsadową (1), zaopatrzonej w boczny zawór odcinający (5) oraz kołnierz (6) z górnym zaworem odcinającym (7) i łącznikiem (8) rur płuczkowych (3). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego i urządzenie do iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego. Hydroizolacyjne przesłony w przodkach wyrobisk górniczych tworzy się w skałach zawodnionych, spękanych i o słabej wytrzymałości oraz w strefach zaburzeń tektonicznych. Sposoby iniekcji roztworu uszczelniającego dla tworzenia tych przesłon różnią się kolejnością wykonywania robot uszczelniających w otworze i reżimem hydraulicznego zatłaczania. W praktyce izolacji skał zawodnionych i spękanych przy wykonywaniu podziemnych wyrobisk górniczych wyróżnia się cztery sposoby uszczelniania w zależności od kolejności wykonywania robót uszczelniających w otworze, a mianowicie uszczelnianie na całej długości otworu, uszczelnianie wznoszącymi strefami, uszczelnianie opadającymi strefami i sposób kołnierzowy. Uszczelnianie na całej długości otworu jest sposobem najprostszym i wymaga niewiele czasu, jednak pozwala uzyskać przesłony hydroizolacyjne gorszej jakości niż na przykład uszczelnianie wznoszącymi lub opadającymi strefami. W skałach niejednorodnych, przy uszczelnianiu na całej długości nie można bowiem uzyskać przesłony hydroizolacyjnej dobrej jakości na całym uszczelnianym odcinku. Roztwór uszczelniający rozprzestrzenia się najpierw w szczelinach o dużym rozwarciu, charakterystycznych dla stref zaburzeń tektonicznych, a pozostały odcinek otworu jest słabo uszczelniany. Dlatego sposób iniekcji na całej długości ma zastosowanie tylko w skałach stosunkowo jednorodnych i przy krótkich odcinkach uszczelniania, rzędu 20-30 m. Przy uszczelnianiu wznoszącymi strefami wiercenie otworu wykonuje się również na projektowaną głębokość. Do otworu, w odległości od jego dna równej długości
174 723 3 jednorazowej strefy iniekcji, zakłada się paker oddzielający odcinek uszczelniany od pozostałej części otworu. Po uszczelnieniu tej strefy paker przesuwa się w kierunku wylotu otworu o odległość równą następnej strefie iniekcji i zatłaczanie roztworu powtarza się. W takiej samej kolejności wykonuje się uszczelnianie pozostałych stref, przy czym jeżeli w otworze zabudowana jest rura prowadnikowa, uszczelnienie ostatniego odcinka otworu od jego dna, może być wykonane bez zastosowania pakera. Sposób ten jest wygodny, ponieważ wiercenie otworów wykonuje się od razu na całej długości i paker pozostaje w otworze do końca zatłaczania, jednak może być wykorzystany tylko w skalach zwięzłych, w sprzyjających warunkach szczelinowatości, kiedy nie ma możliwości wypływu roztworu poza pakerem przy zatłaczaniu oraz gdy nie ma niebezpieczeństwa zawału ścian otworu. Jeżeli powyższe warunki nie zostaną spełnione jakość uszczelnienia będzie zła albo może dojść do awarii w postaci braku możliwości przesunięcia bądź wyciągnięcia pakera z otworu. Otwór nie może być wówczas wykorzystany do dalszego uszczelniania. Przy uszczelnianiu opadającymi strefami wiercenie otworu wykonuje się na głębokość pierwszej strefy uszczelniającej od wylotu otworu. Uszczelnienie wykonuje się przez specjalnie wyposażony wylot otworu. Po wykonaniu robót uszczelniających w pierwszej strefie wiercenie otworu przedłuża się do nawiercenia drugiej strefy i kontynuuje uszczelnianie i tak dalej. Zalety tego sposobu to wysoka jakość uszczelnienia wcześniejszych stref dzięki powtórnym iniekcjom, możliwość użycia większych ciśnień przy zatłaczaniu roztworu uszczelniającego, a także możliwość jego wykorzystania w złożonych warunkach geologicznych. Kołnierzowy sposób polega na uszczelnieniu interwału otworu przez odcinek rury perforowanej usytuowanej pomiędzy dwoma tamponami. Uszczelnianie poszczególnych stref może być wykonywane w dowolnej kolejności, a przy zlej jakości robót iniekcyjnych możliwe jest powtórne uszczelnienie tych samych odcinków. Sposób ten może być jednak stosowany tylko w otworach wzmocnionych rurami perforowanymi oraz w otworach o stabilnych ścianach. Długość stref uszczelniania przy zastosowaniu sposobów wznoszących i opadających stref, a także sposobu kołnierzowego, przyjmuje się na podstawie danych o właściwościach filtracyjnych skał i wydajności pomp iniekcyjnych. Zwykle długość tych stref wynosi 5-6 m. W skałach o małym rozwarciu szczelin oraz przy wykorzystaniu pomp o dużej wydajności, długość strefy uszczelniania może być zwiększona. Efektywność strefowego uszczelniania jest w odwrotnej zależności od długości strefy i zmniejszenie długości strefy tamponażowej powoduje wydłużenie czasu trwania robót i zwiększenie ich kosztów. W związku z tym, dotychczas uszczelnianie skał zawodnionych, spękanych i o słabej wytrzymałości, wykonuje się najczęściej sposobem stref opadających. Jednak przy wykonywaniu robót uszczelniających w otworach wierconych z wyrobisk górniczych przechodzących przez strefy zaburzeń tektonicznych, nawet przy iniekcji opadającymi strefami wynikają problemy związane z intensywną szczelinowatością górotworu. Ciągłe wypływy roztworu uszczelniającego do wyrobiska uniemożliwiają bowiem wykonanie odpowiedniej cementacji rur obsadowych. Trudno jest również uszczelnić wydzielone odcinki otworu z użyciem pakerów, ze względu na wypływ roztworu szczelinami poza paker, co często uniemożliwia ponadto wyciągnięcie pakera i wykorzystanie otworu do dalszego zatłaczania. Wypływ roztworu do wyrobiska powoduje także częste i długotrwałe przerwy w procesie iniekcyjnym, a jego wypływ za rury prowadnikowe przez szczeliny towarzyszące uniemożliwia skuteczne uszczelnienie w przypadku gdy otwór przecina szczeliny o dużym rozwarciu, nawet na głębokości większej niż odległość otworu od istniejącej części wyrobiska. Powyższe problemy i brak możliwości kontrolowania procesu iniekcyjnego zmniejszają jakość uszczelnienia z jednoczesnym zwiększeniem jego kosztów. Dla zapobiegania wypływom roztworu uszczelniającego do wyrobiska stosuje się roztwory o dużej konsystencji lub dodawanie środków przyspieszających wiązanie roztworu, zaklinowanie szczelin, wypełnianie szczelin gęstym roztworem cementowym, szmatami i tym podobne oraz wielokrotne zatłaczanie z przerwami na stabilizację roztworu po wypływie do wyrobiska, jednak wszystkie te sposoby są nieskuteczne w warunkach intensywnej szczelinowatości górotworu stref zaburzeń tektonicznych. Oprócz tego użycie roztworów o dużej konsystencji i niewielkim promieniu rozprzestrzenienia powoduje kolmatację tylko strefy przyotworowej i nie
4 174 723 gwarantuje osiągnięcia głównego celu, a mianowicie tworzenia przesłony izolacyjnej o określonych parametrach, gwarantującej pewną hydroizolację nie tylko szczelin o dużym rozwarciu ale i małych szczelin. W zależności od reżimu hydraulicznego wyróżnia się dwa sposoby zatłaczania: obiegowy i zaciskowy. W sposobie obiegowym do rurociągu tłoczącego opuszczonego na dna otworu podaje się więcej roztworu niż może być wchłonięte przez szczeliny przy określonym ciśnieniu zatłaczania. Nadmiar roztworu powraca do mieszalnika lub odpowiedniego pojemnika. Sposób ten stosuje się w przypadku cementacji szczelin o dużym rozwarciu. Dla ograniczenia rozprzestrzenienia roztworu początkowo wykonuje się zatłaczanie z użyciem niewielkich ciśnień w celu wypełnienia szczelin materiałem cementacyjnym, a następnie po zastosowaniu maksymalnego ciśnienia otwór pozostawia się zamknięty na czas potrzebny dla wyciśnięcia nadmiaru wody z roztworu cementowego i zagęszczenia go w szczelinach. Przy wykorzystaniu tego sposobu wypełnienie szczelin odbywa się jednak wolniej niż w przypadku sposobu zaciskowego i w samych szczelinach prędkość płynięcia roztworu jest mniejsza, a prawdopodobieństwo ich koimatacji w początkowym stadium iniekcji jest większe. Ponadto obudowa otworów dla sposobu obiegowego charakteryzuje się dużym stopniem skomplikowania i wymaga dużego nakładu czasu i wysiłku podczas montażu i demontażu, a w otworach o małej średnicy wierconych w wyrobiskach, często nie można w ogóle wykonać tej obudowy. W związku z tym nawet w przypadku użycia roztworów niestabilnych, a tym bardziej stabilnych, korzystniejsze jest stosowanie sposobu zaciskowego, w którym roztwór jest dostarczany do otworu w ilości określonej wydajnością pompy iniekcyjnej. Obudowa otworów dla tego sposobu jest bardzo prosta. Roztwór jest zatłaczany do otworu ze stałą wydajnością, bez regulowania ciśnienia zatłaczania, które zwiększa się w miarę wypełniania szczelin materiałem uszczelniającym. Zatłaczanie wykonuje się do osiągnięcia określonego ciśnienia. Sposób ten stosuje się przy uszczelnianiu skał o małym i dużym rozwarciu szczelin, z użyciem roztworów stabilnych i uzyskiem masy uszczelniającej po stabilizacji wynoszącym około 100%. Sposób iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego według wynalazku, polega na wykonywaniu w otworze sztucznego pakera z roztworu gliniasto-cementowego wykorzystywanego do tworzenia hydroizolacyjnej przesłony wokół wyrobiska. W tym celu roztwór gliniasto-cementowy tłoczy się najpierw pomiędzy rury płuczkowe umieszczone w otworze i rurę obsadową zabudowaną przy wylocie tego otworu, do momentu jego powrotu wewnątrz rur płuczkowych i pojawienia się przy wylocie otworu roztworu o gęstości zbliżonej do gęstości roztworu zatłaczanego. Następnie przepłukuje się rury płuczkowe roztworem gliniastym i zagęszcza roztwór gliniastocementowy wypełniający przestrzeń między tymi rurami i ścianami otworu w zarurowanej i niezarurowanej części, po czym stabilizuje uzyskany sztuczny paker i kontynuuje zatłaczanie roztworu gliniasto-cementowego rurami płuczkowymi dla tworzenia hydroizolacyjnej przesłony w znany sposób. Urządzenie do iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, przy tworzeniu hydroizolacyjnych przesłon w przodku wyrobiska górniczego według wynalazku, ma osprzęt zamykający wylot otworu, w postaci tulei połączonej z rurą obsadową. Tuleja jest zaopatrzona w boczny zawór odcinający oraz kołnierz z górnym zaworem odcinającym i łącznikiem rur płuczkowych. Zastosowanie sposobu oraz urządzenia według wynalazku zapewnia tworzenie skutecznej przesłony hydroizolacyjnej w przodku wyrobiska górniczego w skałach zawodnionych, spękanych i o słabej wytrzymałości w strefach zaburzeń tektonicznych. Zatłoczenie roztworu gliniasto-cementowego z użyciem sztucznego pakera wykonanego z tego roztworu likwiduje wypływ wody z otworu. Ponadto przy zatłaczaniu roztworu uszczelniającego do otworu nie obserwuje się jego wypływu do wyrobiska, co świadczy o skuteczności hermetycznego zamknięcia danego odcinka otworu. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat technologiczny iniekcji roztworu uszczelniającego do otworu, a fig. 2 - konstrukcję osprzętu odcinającego przy wylocie tego otworu. Do odwierconego i zabudowanego rurą obsadową 1 otworu 2, opuszcza się na określoną głębokość rury płuczkowe 3. Przy wylocie otworu 2 mocuje się osprzęt zamykający, który
174 723 5 stanowi tuleja 4 połączona z rurą obsadową 1, zaopatrzona w boczny zawór odcinający 5 oraz kołnierz 6 z górnym zaworem odcinającym 7 i łącznikiem 8 rur płuczkowych 3. Przez boczny zawór odcinający 5, przy otwartym górnym zaworze odcinającym 7, tłoczy się roztwór gliniasto-cementowy pomiędzy rury płuczkowe 3 i rurę obsadową 1. Tłoczenie prowadzi się do momentu powrotu roztworu gliniasto-cementowego wewnątrz rur płuczkowych 3 i pojawienia się w górnym zaworze odcinającym 7 roztworu o gęstości zbliżonej do gęstości roztworu zatłaczanego. Po tym fakcie, świadczącym o wypełnieniu roztworem gliniasto-cementowym przestrzeni między rurami płuczkowymi 3 i ścianami otworu 2 w jego zarurowanej i niezarurowanej części, zatłaczanie roztworu przerywa się oraz zamyka obydwa zawory odcinające 5 i 7. Następnie podłącza się do górnego zaworu odcinającego 7 przewód tłoczący i po otwarciu tego zaworu wykonuje się zatłaczanie określonej ilości roztworu gliniastego, w celu przepłukania znajdujących się w otworze 2 rur płuczkowych 3 i zagęszczenia utworzonego w tym otworze sztucznego pakera 9 z roztworu gliniasto-cementowego. Następnie zamyka się górny zawór odcinający 7 na 16-24 godz. dla stabilizacji roztworu gliniasto-cementowego. Po stabilizacji, zwiększeniu wytrzymałości sztucznego pakera 9, otwiera się górny zawór odcinający 7 i kontynuuje zatłaczanie roztworu gliniasto-cementowego dla tworzenia hydroizolacyjnej przesłony w przodku wyrobiska górniczego. Po osiągnięciu zaprojektowanych parametrów zatłaczania demontuje się osprzęt zamykający i wyciąga rury płuczkowe 3 z otworu 2 oraz wykonuje w nim następny kompleks prac, a mianowicie rozwiercanie, badanie hydrodynamiki uszczelnionego odcinka dla kontroli jakości utworzonej hydroizolacyjnej przesłony i tym podobne. Fig. 2
174 723 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł