СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАТОПЛЕНИЯ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ Российский патент 1999 года по МПК E21D11/38 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для предотвращения затопления калийных рудников.

При разработке калийных месторождений всегда следует учитывать растворимость солей в пресной воде и связанную с этим опасность катастрофического обводнения выработок.

В истории разработки калийных солей шахтным способом известны десятки случаев, когда проникновение в горные выработки даже небольшого количества воды из водоносных горизонтов заканчивается гибелью рудника.

В Германии погибло от затопления более 35 калийных рудников, некоторые из них были затоплены за несколько часов, на других с водопритоками боролись в течение десятков лет. В России в 1986 году был затоплен наиболее производительный, оснащенный самым современным и мощным оборудованием рудник Третьего Березниковского рудоуправления.

Как показывает многолетний пыт, путями проникновения воды и рассолов в выработанное пространство могут являться: геологоразведочные скважины, тектонические или другие геологические нарушения соляных залежей, нарушения сплошности пород под влиянием горных работ.

Для предотвращения угрозы затопления рудников до начала эксплуатации тщательно изучают гидрогеологические условия калийных месторождений и в первую очередь выясняется степень водоносности покровной толщи и ее контактов с соляным массивом. Например, на Верхнекамском месторождении в нижней части соляно-мергельной толщи установлено повсеместное распространение рассольных горизонтов [1].

Опасность проникновения вод в подземные выработки учитывают при ведении эксплуатационной разведки, решении вопросов вскрытия и выборе способа отработки месторождения.

С этой целью проводят (раздельно или комплексно) следующие мероприятия технического и организационного характера:
- специальные методы ликвидационного тампонажа разведочных и технических скважин;
- специальные способы проходки и крепления шахтных стволов;
- оставление между водоносными горизонтами и горными работами водоупорного целика (водозащитной толщи);
- оставление предохранительных целиков между шахтными полями, около разведочных скважин и в местах геологических нарушений;
- выбор систем разработки, обеспечивающих целостность (сохранение сплошности) водозащитной толщи;
- закладку выработанного пространства;
- организацию специальной службы наблюдений за водопроявлениями в руднике [2].

При обнаружении проникновения в рудник рассолов применяют специальные меры для ликвидации их притока: цементацию или битумизацию окружающих выработку пород, установку на отдельных участках выработок водонепроницаемой крепи, тампонаж скважин, установку водонепроницаемых перемычек [3].

Указанные известные способы не обладают достаточной надежностью, обычно приток возобновляется в наиболее проницаемых участках противофильтрационных экранов.

Калийный рудник "Ванской" (Каминко) в Канаде был закончен строительством в 1969 году, а 27 августа 1970 года в стволе N 2, чуть ниже основания тюбинговой колонны, при проведении цементации закрепного пространства была вскрыта погашенная замораживающая скважина. Ее ликвидация была выполнена некачественно, и это создало водопроводящий канал от водоносных пород формаций Блермор и Ниску.

Отверстие в бетонной крепи ствола за 6 часов увеличилось с 75 до 350 мм. Когда стало ясно, что поток воды с песком не остановить, в течение 10 часов наиболее ценное подземное оборудование было отведено на защищенные участки.

В течение пяти суток рудник был затоплен и уровень воды стал подниматься в стволах. За это время в стволе N 2 были пробурены и оснащены трубами скважины для закачки цемента за крепь с поверхности. Параллельно было организовано бурение скважины на вероятное место аварии с поверхности. Для установления гидравлической связи с местом поступления воды в ствол в скважине было взорвано 5 кг взрывчатки. Затем в ствол стал подаваться рассол для изменения направления движения воды. По трубам в стволе стали нагнетать цемент, выносившийся вместе с рассолом во вмещающие породы. Дополнительное цементирование позволило изолировать место прорыва 9 сентября 1970 г. К июню 1971 г. рудник был полностью освобожден от воды. Добыча возобновилась в сентябре 1972 г.

Данный известный способ предотвращения затопления калийных рудников, включающий бурение скважин с поверхности до верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками и закачку (нагнетание) тампонажного раствора, является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и поэтому принят за прототип [4].

Способ не обладает достаточной надежностью с отсутствием гидродинамической изоляции обрабатываемого объема пласта и необходимостью применения взрывчатки, вследствие чего может быть нарушена целостность водозащитной толщи.

Цель изобретения - повышение надежности предотвращения затопления путем гидродинамической изоляции тампонируемого участка водозащитной толщи.

Поставленная цель достигается тем, что в районе нарушения водозащитной толщи бурят с поверхности две скважины и в ту из них, которая находится выше по потоку, осуществляют закачку тампонажного раствора, а из другой откачку рассола. Гидродинамическая изоляция нарушения осуществляется превышением дебита откачки над дебитом закачки.

В существующих источниках информации такой способ предотвращения затопления калийных рудников не известен.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг. 1, 2).

В случае обнаружения связи поступающих в выработку 1 рассолов 2, с надсолевыми водами (рассолами) 3 определяют вероятные параметры зоны нарушения 4 в кровле водозащитной толщи 5. Затем в районе нарушения 4 бурят с поверхности и обсаживают трубами две скважины 6, 7 с установкой фильтров 8 в них на уровне рассольного горизонта. В случае его отсутствия осуществляют сбойку скважин с помощью гидроразрыва.

Расстояние между скважинами определяется параметрами располагающейся между ними зоны нарушения толщи и варьирует в пределах 10-100 м. Расстояние менее чем 10 м не гарантирует перекрытия зоны нарушения областью циркуляции тампонажных растворов. При расстоянии более 100 м значительная длина пути фильтрации тампонажного раствора от закачной скважины 6 до зоны нарушения 4 затягивает сроки ликвидации рассолопроявления.

Затем определяют уровни рассола в скважинах и в ту из них, которая находится выше по потоку, осуществляют закачку тампонажного раствора, а из другой откачку рассола. В качестве тампонажного раствора используют смесь, не агрессивную к соляным породам и близкую по вязкости к насыщенным рассолам, циркулирующим в микропустотах этих пород. Такая смесь состоит из насыщенного раствора соли в синтетического вяжущего, представленного винильными мономерами: акриламидом, солиакриловой кислотой, гидроокисью кальция и полиакриламидом [5].

Процесс тампонирования заключается в постоянной подаче тампонажного раствора в закачную скважину с дебитом Q₃ и откачке рассолов из откачной скважины с дебитом Q₀ при Q₀ > Q₃. При этом откачная скважина одновременно выполняет две функции - вывода на поверхность земли рассолов из нарушенного объема пласта и гидродинамической изоляции этого объема от окружающей площадки. Отношение дебитов отвечает уравнению Q_o= α Q₃ при α ≥ 2.
Форма и размеры площади, в пределах которой реализуются в таких условиях фильтрация тампонажного раствора и тампонирование зоны нарушения в кровле водозащитной толщи определены путем теоретического решения задачи о фильтрационном поле двух скважин с дебитами разного знака и величины [6].

Подача тампонажного раствора в закачную скважину и откачка рассола из откачной скважины начинаются одновременно и ведутся непрерывно с постоянными дебитами. Величина коэффициента дебаланса α принимается в интервале значений от 2 до 4. При величине α > 4 область циркуляции тампонажного раствора может не совпадать с зоной нарушения водозащитной толщи (см. фиг. 3).

Через определенное время фронт движения тампонажного раствора достигает зоны нарушения и его часть начинает проникать в трещины и пустоты водозащитной толщи, постепенно заполняя их и изолируя от вышележащего рассольного горизонта. Тампонирование прекращают после полного прекращения притока рассола в горные выработки.

Пример осуществления способа. На Верхнекамском месторождении калийных солей при возобновлении притока рассола в выработки в районе 4 блока 1 северо-восточной панели Березниковского калийного рудоуправления N 4 установлена связь рассолопроявления (по данным химического анализа) с надсолевыми водами. В действие вводятся соответствующие позиции "Плана ликвидации аварии", предусматривающие действия на различных стадиях ликвидации аварии.

В районе 4 блока бурят одновременно две скважины станками ЗИФ-650 без отбора керна шарошечными долотами диаметром 190-243 мм. Расстояние между скважинами 20 м, вероятная зона нарушения находится посередине, глубина скважин 260 м.

После окончания бурения скважины обсаживают трубами диаметром 146 мм. Фильтры того же диаметра устанавливают в интервале 250 - 260 м. Затем производят пробную откачку и определяют уровни рассола в скважинах.

В находящуюся выше по потоку скважину осуществляют закачку насыщенного раствора хлористого натрия, содержащего акриламид, солиакриловую кислоту, гидроокись кальция и полиакриламид. Гидродинамическая изоляция обрабатываемого объема пласта достигается превышением дебита откачной скважины над дебитом закачной в 2 раза. Тампонирование прекращают после ликвидации притока рассола в выработку.

Источники информации
1. Ходьков А.Е. Вопросы формирования и использования естественных рассолов Верхнекамского месторождения. -Л.-М.; Тр. ВНИИГ, 1953, вып.28, с.3-36.

2. Указания по защите рудников от затопления и охране объекта на земной поверхности от вредного влияния подземных горных разработок в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей. С.П. АО "ВНИИГ", 1994.

3. Временное руководство по ликвидации возможных рассолопроявлений в калийных рудниках Верхнекамского месторождения. -ВНИИГ, 1990.

4. Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников. -М.: Недра, 1992, с.21-23.

5. Пермяков Р. С. и др. Технология добычи солей. -М.: Недра, 1981, с. 42-43.

6. Грабовников В.А. Геотехнологические исследования при разведке металлов. -М.: Недра, 1983.

Использование: в горном деле, в частности в калийных рудниках. Обеспечивает повышение надежности предотвращения затопления. Сущность изобретения: по способу бурят скважину с поверхности до верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками. После установления связи рассолопроявления в горной выработке с надсолевыми водами в районе нарушения водозащитной толщи бурят с поверхности и обсаживают трубами две скважины. В них устанавливают фильтры. Их устанавливают на уровне рассольного горизонта. Расстояние между скважинами определяется параметрами располагающейся между ними зоны нарушения водозащитной толщи. Она варьируется в пределах 10 - 100 м. Определяют уровень рассола в скважинах. В ту из скважин, которая находится выше по потоку, закачивают тампонажный раствор. Из другой откачивают рассол. Закачку тампонажного раствора и откачку рассола начинают одновременно и ведут непрерывно с постоянными дебитами. Дебит откачки превышает дебит закачки в 2 - 4 раза. Этим достигают гидродинамическую изоляцию обрабатываемого объема пласта. 3 ил.

Способ предотвращения затопления калийных рудников, включающий бурение скважин с поверхности до верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками и закачку тампонажного раствора, отличающийся тем, что после установления связи рассолопроявления в горной выработке с надсолевыми водами в районе нарушения водозащитной толщи бурят с поверхности и обсаживают трубами две скважины с установкой в них фильтров на уровне рассольного горизонта и с расстоянием между скважинами, определяемым параметрами располагающейся между ними зоны нарушения водозащитной толщи и варьируемым в пределах 10 - 100 м, затем определяют уровни рассола в скважинах и в ту из скважин, которая находится выше по потоку, осуществляют закачку тампонажного раствора, а из другой осуществляют откачку рассола, при этом закачку тампонажного раствора и откачку рассола начинают одновременно и ведут непрерывно с постоянными дебитами, но с превышением дебита откачки над дебитом закачки в 2 - 4 раза, чем достигают гидродинамическую изоляцию обрабатываемого объема пласта.