СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ЗАВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2001 года по МПК E21C41/20 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых.

Известен способ разработки заводненных месторождений полезных ископаемых, включающий предварительное осушение обводненных пород, залегающих в кровле подлежащего выемке пласта, посредством проведения комплекса дренажных выработок и выемку полезных ископаемых (а. с. СССР N 676737, кл. E 21 F 16/00, 1978).

Причина, препятствующая получению необходимого технического результата, заключается в низкой эффективности мероприятий по предотвращению затопления горных выработок, а также значительные затраты на дренажные работы.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий выемку водорастворимых полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород (А.Н. Андреичев. Разработка калийных месторождений. М., Недра, 1966, с. 23-24, 229-244).

Причина, препятствующая получению необходимого технического результата, заключается в низкой гарантии от проникновения вод в горные выработки, а также низкое извлечение полезных ископаемых из недр.

Сущность изобретения.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи по повышению безопасности и эффективности ведения горных работ за счет предотвращения проникновения вод в горные выработки (затопления рудников) и, следовательно, повышения извлечения из недр полезных ископаемых, а также защиты окружающей среды за счет утилизации промышленных отходов.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающем выемку полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород, перед выемкой полезных ископаемых в толще водонепроницаемых горных пород создают водонепроницаемый и трещинопоглощающий горизонт, исключающий связь техногенных магистральных трещин с вышележащими водоносными горизонтами. Экран создают над будущим выработанным пространством на площади, вмещающей границы ожидаемой мульды сдвижения горных пород. Трещинопоглощающей экран состоит из основных и дополнительных трещиноулавливающих полостей. Основные трещиноулавливающие полости выполняют в виде пологих протяженных горных выработок, расположенных друг от друга на расстоянии не менее трехкратной их ширины и от верхней границы толщ и водоупорных горных пород на расстоянии X₁, определяемом из выражения:
X₁ ≥ Δ₁+h₁, м
где Δ₁ - предельно-допустимая величина мощности защитного слоя толщи водонепроницаемых горных пород над основными трещиноулавливающими полостями, в котором по условию безопасности не должно быть трещин разрыва и который по своим размерам и состоянию выражает свойства, присущие массиву водонепроницаемых горных пород и учитывает ошибку в определении и передаче координат верхней границы толщ и водонепроницаемых горных пород и элементов трещиноулавливающих полостей, м;
h₁ - высота возможного свода трещинообразования и обрушения над протяженной горной выработкой, образующей основную трещиноулавливающую полость, м.

Дополнительные трещиноулавливающие полости выполняют в виде разгрузочных щелей и/или сближенных буровых скважин, которые формируют в толще водонепроницаемых горных пород из основных трещиноулавливающих полостей, с обеих их сторон и по всей длине, с перекрытием торцевых (донных) частей соседних дополнительных трещиноулавливающих полостей друг другом. Наикратчайшее расстояние X₂ от кровли верхнего, предусматриваемого к выемке пласта полезного ископаемого, до трещиноулавливающих полостей определяют из выражения:
X₂ ≥ Δ₂+h₂, м
где Δ₂ - мощность защитного, под трещинопоглощающим горизонтом, слоя толщи водонепроницаемых горных пород, учитывающего ошибку в определении и передаче координат толщи водонепроницаемых горных пород и элементов трещиноулавливающих полостей, м;
h₂ - высота ожидаемой области трещинообразования и обрушений водонепроницаемых горных пород в зоне их подработки над верхним, предусмотренным к выемке пластом полезного ископаемого, м.

Затем основные и дополнительные полости трещинопоглощающего горизонта заполняют вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом, после чего приступают к выемке полезных ископаемых. В качестве трещиноизолирующего вещества используют водонерастворимое вещество с плотностью не ниже плотности растворов, поступающих при аварийной ситуации в трещиноулавливающие полости трещинопоглощающего горизонта из вышележащих пород. В трещиноулавливающих полостях трещинопоглощающего горизонта вместе с трещиноизолирующим веществом размещают неутилизируемые отходы промышленных производства со свойствами, отличающимися от свойств трещиноизолирующего вещества.

Как показали исследования, выемка водорастворимых полезных ископаемых изменяет напряженно-деформируемое состояние (НДС) вышерасположенной толщи водонепроницаемых горных пород. Она теряет исходную опору и под действием сил тяжести прогибается, возникают упругие поля напряжений растяжения и сжатия, образуется мульда сдвижения, появляются области трещинообразований: в краевой части мульды сдвижения и над выработанным пространством. Высота зоны трещинообразований над выработанным пространством при камерной системе разработки соответствует пятикратной величине высоты суммарной полости, образующейся при выемке полезного ископаемого, приведенной к площади выработанного пространства (с учетом последующих закладочных работ). Это сравнительно небольшая высота трещинообразования.

Определяющей, по условиям безопасного ведения горных пород, исключающим затопление заводненного месторождения водорастворимых полезных ископаемых, является высота зоны техногенных магистральных трещин, образующихся в краевой (динамической) части мульды сдвижения. Это наиболее опасная область сдвижений: высота зоны распространения техногенных трещин разрыва в этом случае более чем на порядок превышает высоту зоны трещинообразования над выработанным пространством.

Выполнение основных трещиноулавливающих полостей трещинопоглощающего горизонта в виде пологих протяженных горных выработок, расположенных друг от друга на расстоянии не менее трехкратной их ширины, на расстоянии X₁ от верхней границы толщи водонепроницаемых горных пород и на расстоянии X₂ от кровли верхнего, предусматриваемого к выемке пласта водорастворимого полезного ископаемого, обеспечивает минимальный объем горных работ при создании базовых (основных) полостей и незначительное влияние на напряженно-деформированное состояние толщи водонепроницаемых горных пород, что гарантирует длительную и безопасную эксплуатацию этих выработок в условиях их максимально возможной изоляции от внешней среды.

Выполнение дополнительных трещиноулавливающих полостей в виде разгрузочных щелей и/или сближенных буровых скважин позволяет минимизировать объем горных пород при достижении абсолютной эффективности по улавливанию техногенных трещин и одновременном незначительном их пространственном влиянии на НДС толщи водонепроницаемых горных пород, обеспечивая тем самым их исходную сплошность и водонепроницаемость.

Заполнение трещиноулавливающих полостей вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом уменьшает конвергенцию стенок полостей. А использование трещиноизолирующего вещества, обладающего дополнительно водонерастворимостью и плотностью не ниже плотности растворов, ожидаемых при аварийном поступлении в трещиноулавливающие полости, исключает контакт указанных растворов с устьями магистральных трещин, внедрившихся в трещиноулавливающие полости, и дальнейшее проникновение растворов по трещинам в выработанное пространство.

Размещение в трещиноулавливающих полостях совместно с трещиноизолирующим веществом неутилизируемых отходов промышленных производств со свойствами, отличающимися от свойств трещиноизолирующего вещества, обеспечивает снижение общего расхода последнего и вывод из биосферы в изолированную подземную среду неутилизируемых отходов токсичной и канцерогенной природы.

На чертеже показана схема разработки заводненного месторождения водорастворимых полезных ископаемых.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед выемкой водорастворимых полезных ископаемых 1 в толще водонепроницаемых горных пород 2 над будущим выработанным пространством 3 на площади, вмещающей границы 4 ожидаемой мульды сдвижения горных пород, с помощью горной техники образуют трещинопоглощающий горизонт, включающий основные 5 и вспомогательные 6 трещиноулавливающие полости. Основные трещиноулавливающие полости 5 выполняют с помощью горно-проходческих комбайнов в виде пологих протяженных горных выработок, расположенных друг от друга на расстоянии не менее трехкратной их ширины и от верхней границы 7 толщи водонепроницаемых горных пород 2 на расстоянии X₁, определяемом из выражения:
X₁ ≥ Δ₁+h₁, м
где Δ₁ - предельно-допустимая величина мощности защитного слоя толщи водонепроницаемых горных пород 2 над основными трещиноулавливающими полостями 5, в котором по условиям безопасности не должно быть трещин разрыва и который по своим размерам и состоянию выражает свойства, присущие массиву водонепроницаемых горных пород 2, и учитывает ошибку в определении и передаче координат верхней границы 7 толщи водонепроницаемых горных пород 2 и элементов трещиноулавливающих полостей 5 и 6, м;
h₁ - высота возможного свода трещинообразования и обрушения над протяженной горной выработкой, образующей основную трещиноулавливающую полость 5, м.

Дополнительные трещиноулавливающие полости 6 выполняют в виде разгрузочных щелей и/или сближенных буровых скважин, которые формируют с помощью врубовых машин и/или буровых станков в толще водонепроницаемых горных пород 2 из основных трещиноулавливающих полостей 5 с обеих их сторон и по всей длине с перекрытием торцевых (донных) частей соседних дополнительных трещиноулавливающих полостей 6 друг другом. При этом наикратчайшее расстояние X₂ от кровли верхнего, предусматриваемого к выемке пласта водорастворимого полезного ископаемого 1 до трещиноулавливающих полостей 5 и 6 определяют из выражения:
X₂ ≥ Δ₂h₂, м
где Δ₂ - мощность защитного, под трещинопоглощающим горизонтом, слоя толщи водонепроницаемых горных пород 2, учитывающего ошибку в определении и передаче координат толщи водонепроницаемых горных пород и элементов трещиноулавливающих полостей 5 и 6, м;
h₂ - высота ожидаемой области трещинообразования и обрушений водонепроницаемых горных пород 2 в зоне их подработки над верхним, предусмотренным в выемке пластом полезного ископаемого 1, м.

Затем основные 5 и дополнительные 6 трещиноулавливающие полости трещинопоглощающего горизонта заполняют вязким, плотностью не ниже плотности растворов, ожидаемых при аварийном поступлении в трещиноулавливающие полости 5 и 6 из вышележащих горных пород, подвижным при температуре применения, водонерастворимым и неагрессивным к водонепроницаемым горным породам 2 трещиноизолирующим веществом 8. Вместе с трещиноизолирующим веществом 8 в трещиноулавливающих полостях 5 и 6 размещают не утилизированные отходы промышленных производств 9 со свойствами, отличающимися от свойств трещиноизолирующего вещества 8.

Пример конкретного выполнения способа.

В пределах шахтного поля рудника Третьего Соликамского калийного рудоуправления из 13-ти пластов водорастворимых калийных и калийно-магниевых солей по условиям безопасной разработки, исключающей катастрофическое затопление выработанного пространства водами надсолевой толщи, разрабатываются всего три пласта: пласт Красный II и геологически сближенные пласты А и Б. Вышерасположенные пласты калийномагниевых солей и покровную каменную соль относят к так называемой водозащитной толще (ВЗТ).

При камерной системе разработки при суммарной мощности промышленных пластов 7,1 м, коэффициенте извлечения запасов - 0,4, коэффициенте заполнения камер закладочным материалом - 0,75, коэффициенте усадки закладочного материала - 0,25 высота зоны трещинообразования и обрушений над верхним разрабатываемым пластом составляет 6,2 м. Необходимая мощность ВЗТ по условиям поглощения техногенных магистральных трещин разрыва, образующихся в краевой части мульды сдвижения, определенная в соответствии с действующей Методикой составляет 127,9 м. Фактическая мощность ВЗТ в данной ситуации равна 129,1 м.

По предлагаемому способу разработки для образования основных трещиноулавливающих полостей 5 при создании трещинопоглощающего горизонта используют проходческо-очистные комбайны ПК-8м, образующие горные выработки сводчатой формы диаметром 3,2 м. Расстояние между основными трещиноулавливающими полостями 5 принимают равным 16 м, что превышает требуемое удаление 3d. Дополнительные трещиноулавливающие полости 6 выполняют в виде сближенных, наклонных скважин диаметром 390 мм и длиной 12 м, проводимых из основных трещиноулавливающих полостей 5 с помощью самоходного станка для бурения скважин БГА-2м.

В качестве трещиноизолирующего вещества 8 используют водонерастворимое, подвижное при температуре горных пород ВЗТ (7-8^oC) вещество плотностью, превышающей плотность соляных растворов (1250 кг/м³). Этим требованиям соответствует, например метилэтиловый эфир (ρ₀ = 1550 кг/м³), хлорпикрин (ρ₀ = 1651 кг/м³) и многие другие вещества, в т.ч. являющиеся отходами промышленных производств. Неутилизируемые отходы 9 определяют по каталогу промышленных отходов.

Расчеты показывают, что при размещении основных трещиноулавливающих полостей 5 на расстоянии 15 м от верхней границы водозащитной толщи и дополнительных трещиноулавливающих полостей 6 от границы зоны трещинообразования и обрушения над верхним, разрабатываемым пластом на расстоянии 10 м возможно дополнительное вовлечение в отработку забалансовых запасов минеральных солей с суммарной мощностью пластов до 35 м. Тем самым открываются возможности по увеличению извлечения водорастворимых полезных ископаемых в рассматриваемых условиях более чем в 4 раза. Решается проблема изолированного захоронения неутилизируемых отходов промышленных производств.

Способ относится к горному делу и может быть использован при подземной разработке заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых. Способ заключается в том, что перед выемкой полезных ископаемых в толще водонепроницаемых горных пород создают экран в виде водонепроницаемого и трещинопоглощающего горизонта. Экран создают над будущим выработанным пространством на площади, вмещающей границы ожидаемой мульды сдвижения горных пород. Экран состоит из основных и дополнительных трещиноулавливающих полостей, выполненных в виде пологих протяженных горных выработок и разгрузочных щелей и/или сближенных буровых скважин, которые заполняют вязким, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом, после чего приступают к выемке полезных ископаемых. В качестве трещиноизолирующего используют водонерастворимое вещество с плотностью не ниже плотности растворов, поступающих при аварийной ситуации в трещиноулавливающие полости. В трещиноулавливающих полостях могут быть размещены неутилизируемые отходы промышленных производств. Предлагаемый способ позволит повысить безопасность и эффективность ведения горных работ, повышение извлечения из недр полезных ископаемых, а также обеспечит защиту окружающей среды за счет утилизации промышленных отходов. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий выемку полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород, отличающийся тем, что перед выемкой полезных ископаемых в толще водонепроницаемых горных пород над будущим выработанным пространством на площади, вмещающей границы ожидаемой мульды сдвижения горных пород, создают водонепроницаемый и трещинопоглощающий горизонт, включающий основные и дополнительные трещиноулавливающие полости, при этом основные трещиноулавливающие полости выполняют в виде пологих протяженных горных выработок, расположенных друг от друга на расстоянии не менее трехкратной их ширины и от верхней границы толщи водонепроницаемых горных пород на расстоянии Х₁, определяемом из выражения
X₁≥Δ₁+h₁, м
где Δ_l - предельно-допустимая величина мощности защитного слоя толщи водонепроницаемых горных пород над основными трещиноулавливающими полостями, м;
h₁ - высота возможного свода трещинообразования и обрушения над протяженной горной выработкой, образующей основную трещиноулавливающую полость, м,
дополнительные трещиноулавливающие полости выполняют в виде разгрузочных щелей и/или сближенных буровых скважин, которые формируют в толще водонепроницаемых горных пород из основных трещиноулавливающих полостей, с обеих их сторон и по всей длине, с перекрытием торцевых (донных) частей соседних дополнительных трещиноулавливающих полостей друг другом, причем наикратчайшее расстояние Х₂ от кровли верхнего, предусматриваемого к выемке пласта полезного ископаемого, до трещиноулавливающих полостей определяют из выражения
X₂≥Δ₂+h₂, м
где Δ₂ - мощность защитного, под трещиноулавливающим горизонтом, слоя толщи водонепроницаемых горных пород, учитывающего ошибку в определении и передаче координат толщ и водонепроницаемых горных пород и элементов трещиноулавливающих полостей, м;
h₂ - высота ожидаемой области трещинообразования и обрушений водонепроницаемых горных пород в зоне их подработки над верхним, предусмотренным к выемке пластом полезного ископаемого, м,
затем основные и дополнительные полости трещинопоглощающего горизонта заполняют вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве трещиноизолирующего вещества используют водонерастворимое вещество с плотностью не ниже плотности растворов, поступающих при аварийной ситуации в трещиноулавливающие полости трещинопоглощающего горизонта из вышележащих пород. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в трещиноулавливающих полостях трещинопоглощающего горизонта вместе с трещиноизолирующим веществом размещают неутилизируемые отходы промышленных производств со свойствами, отличающимися от свойств трещиноизолирующего вещества.