СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2005 года по МПК E21C41/16 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземном шахтном способе разработки месторождений полезных ископаемых, преимущественно водорастворимых полезных ископаемых, залегающих во вмещающих водоупорных горных породах, с последующим размещением в изолированном выработанном пространстве токсичных отходов или стратегических объектов.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых (А.И.Андреев. Разработка калийных месторождений. М.: Недра, 1966, с.23-24, 182-199, 229-244), включающий выемку водорастворимых полезных ископаемых под защитой толщи водоупорных горных пород с применением камерной системы разработки и закладкой выработанного пространства нетоксичными отходами обогащения полезных ископаемых.

Недостатком способа является низкая гарантия от катастрофического проникновения подземных природных вод в горные выработки в результате нарушения сплошности водозащитной толщи, низкое извлечение полезного ископаемого из недр, невозможность герметичного, изолированного размещения в выработанном пространстве токсичных отходов или стратегических объектов.

Так, на Верхнекамском калийном месторождении из 13 пластов калийных и калийно-магниевых солей по условиям безопасности отрабатывается один-три. При этом коэффициент извлечения по рабочим пластам достигает 30%. В 1986 г. катастрофическим образом был затоплен крупнейший в мире Третий Березниковский калийный рудник, мощностью 8,2 млн.т сильвинитовой руды в год. В 1995 г. в связи с массовым обрушением потолочин и разрушением целиков на грани затопления оказался Второй Соликамский калийный рудник. Никто не может дать гарантии, что при существующей технологии ведения горных работ в ближайшие годы не будет затоплен, по крайней мере, еще один калийный рудник.

Известно /П.И.Кондрашев, М.П.Нестеров Обеспечение производственной и экологической безопасности захоронения токсичных отходов. - М.: “Безопасность труда в промышленности, 1995, №6, с.16-19/, что токсичные отходы, количество которых в России достигает 1,5 млрд. т., практически не выводятся из биосферы и представляют постоянно увеличивающуюся опасность для окружающей среды, становятся все более уязвимыми к различным природным и техногенным катаклизмам. С каждым годом усложняется решение проблемы, связанной с дальнейшей судьбой токсичных отходов, ежегодно их количество возрастает на 50 млн. т.

Наиболее предпочтительным вариантом вывода токсичных отходов из биосферы считают захоронение их в природных изоляторах: соляные, глинистые толщи, граниты, гнейсы, эффузивы, и особенно в тех из них, в которых при добыче полезных ископаемых образуется подземное выработанное пространство, пригодное для этой цели.

Однако технические решения, позволяющие одновременно решать и задачу высокого извлечения из недр полезного ископаемого и безопасного для окружающей среды изолированного захоронения в выработанном пространстве шахт (рудников) токсичных отходов, отсутствуют.

Предлагаемое изобретение направлено на решение комплексной задачи повышения эффективности и безопасности добычи полезных ископаемых с созданием условий для долгосрочного изолированного захоронения токсичных отходов или стратегических объектов.

Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в создании в выработанном пространстве одновременно с добычей полезного ископаемого, практически недеформируемой в условиях всестороннего сжатия, но проницаемой для специальных транспортных средств среды.

Для решения поставленной задачи предлагаемый способ разработки месторождений полезных ископаемых характеризуется тем, что он включает добычу полезного ископаемого подземным шахтным способом в жидкой среде, под защитой толщи водоупорных горных пород, после полного затопления вспомогательных вскрывающих и подготовительных горных выработок, обеспечивающих начало очистных работ, рабочей жидкостью, нейтральной по отношению к полезному ископаемому и вмещающим горным породам и находящейся под давлением, соответствующим величине горного давления на глубине разработки, с синхронизацией процесса удаления отдельной от массива горной массы за пределы подземного затопленного пространства с пополнением объема рабочей жидкости в этом пространстве. Давление рабочей жидкости создают путем воздействия на не напорной жидкости, которую размещают или в шахтном стволе, гидравлически связанном с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, при этом необходимую высоту столба напорной жидкости в шахтном стволе (Н_сшс), от устья ствола до пересечения его с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, определяют из выражения

где Н_гп - расчетная глубина залегания разрабатываемой залежи полезного ископаемого, м;

γ_гп - средневзвешенный объемный вес горных пород, залегающих над разрабатываемой залежью полезного ископаемого, Н/м³;

γ_рж - средневзвешенный объемный вес рабочей жидкости, Н/м³;

γ_нж - средневзвешенный объемный вес напорной жидкости, Н/м³;

или в шахтном стволе и напорной колонне, расположенной на земной поверхности, над шахтным стволом, и гидравлически связанной с ним, при этом высоту столба напорной жидкости в напорной колонне (Н_ск) определяют из выражения:

где Н₁ - высота столба рабочей жидкости в затопленном пространстве, от нижнего уровня нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработки до кровли разрабатываемой залежи, определяется по конструктивным и технологическим соображениям, м, а высоту столба напорной жидкости в шахтном стволе, от устья ствола до пересечения с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, определяют из выражения, Н_сшс=Н_гп+H₁, м.

После завершения отработки запасов полезного ископаемого в пределах шахтного поля в затопленном выработанном пространстве размещают токсичные отходы промышленных производств или стратегические объекты, при этом процессе введения отходов или стратегических объектов в жидкую среду осуществляют синхронно с удалением за пределы затопленного пространства рабочей жидкости в объеме, равном объему вводимых отходов или объектов.

Добыча полезного ископаемого подземным шахтным способом в жидкой среде рабочей жидкости, нейтральной по отношению к полезному ископаемому и вмещающим горным породам и находящейся под давлением, соответствующим величине горного давления на глубине разработки, позволяет за счет несжимаемости жидкости, заполняющей все выработанное пространство, исключить проявление горного давления в виде сдвижений и трещинообразований во вмещающих горных породах даже в случае полного извлечения балансовых запасов из недр. Синхронизация процесса удаления отделенной от массива горной массы за пределы подземного затопленного пространства с пополнением объема рабочей жидкости в этом пространстве обеспечивает постоянство давления рабочей жидкости и стабильное расчетное напряженное состояние в массиве вмещающих водоупорных горных пород. Создание давления рабочей жидкости путем воздействия на нее напорной жидкости, которую размещают или в шахтном стволе, гидравлически связанном с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, или в шахтном стволе и напорной колонне, расположенной на земной поверхности, над шахтным стволом, и гидравлически связанной с ним, обеспечивает надежное, гарантированное, постоянное расчетное давление рабочей жидкости, независящее от функционирования искусственных источников энергии и компрессорных установок.

Использование предложенных математических зависимостей для определения столба напорной жидкости в шахтном стволе или в напорной колонне и шахтном стволе позволяет оптимизировать параметры напорных устройств применительно к конкретным горно-геологическим и горно-техническим условиям разработки полезных ископаемых. Синхронизация процесса ввода токсичных отходов промышленных производств или стратегических объектов в жидкую среду с удалением за пределы затопленного пространства рабочей жидкости, в объеме, равном объему вводимых отходов или объектов, обеспечивает стабилизацию напряженно-деформированного состояния в массиве поддерживаемых рабочей жидкостью горных пород, снижает затраты на внедрение и перемещение отходов и объектов в затопленном выработанном пространстве.

На чертеже показана схема разработки месторождений полезных ископаемых, вертикальный разрез.

Способ разработки месторождений полезных ископаемых В.А.Старцева осуществляется следующим образом.

Выемку полезного ископаемого, представленного в виде свиты пластов 1, перемежающихся с междупластьями 2 пустых горных пород, ведут в границах 3 шахтного поля подземным шахтным способом, под защитой толщи 4 водоупорных горных пород, после вскрытия шахтного поля вертикальными стволами 5, 6, вспомогательными вскрывающими выработками 7, 8, 9, 10 и обходной вспомогательной вскрывающей выработкой (не показана), примыкающей к вспомогательной вскрывающей горной выработке 7 и вскрывающей разрабатываемую залежь полезного ископаемого поэтажно, с использованием сбоек (не показаны), проходки по верхнему пласту 1 подготовительной выработки 11, монтажа напорной колонны 12, затопления вспомогательных вскрывающих горных выработок 7, 9, 10, обходной вспомогательной горной выработки (не показана) и подготовительной горной выработки 11 рабочей жидкости 13 и затопления шахтного ствола 5 и напорной колонны 12 напорной жидкостью 14. Рабочая жидкость 13 является нейтральной к полезному ископаемому и вмещающим горным породам, находится в выработанном пространстве под давлением, соответствующим величине горного давления на глубине разработки, при этом средневзвешенный объемный вес напорной жидкости 14 больше, чем средневзвешенный объемный вес рабочей жидкости 13. Шахтный ствол 5 имеет гидравлическую связь с рабочим объемом напорной колонны 12 и вспомогательной вскрывающей горной выработкой 7, в нижней ее части. Вспомогательная вскрывающая горная выработка 7, в верхней части, гидравлически связана с подготовительной выработкой 11, которая имеет гидравлическую связь с верхними частями дополнительных вскрывающих выработок 9, 10. Нижние части дополнительных вскрывающих выработок 9, 10 изолированы и подсоединены соответственно к трубопроводам 15, 16, которые через насосные установки 17, 18 гидравлически связаны с трубопроводами 19, 20, проложенными в вспомогательной вскрывающей выработке 8 и шахтном стволе 6.

На поверхности трубопроводы 19, 20 через запорную арматуру подключены к установкам обезвоживания 21 и 22.

При затоплении горных выработок 7, 9, 10, 11 и обводной дополнительной вскрывающей выработки (не показана) находящийся в них воздух удаляется на земную поверхность через трубопровод 23, один конец которого расположен в верхней части выработанного пространства, а другой имеет связь с земной атмосферой.

Отработку пластов 1 полезного ископаемого ведут сверху вниз. Отделение горной массы от массива и доставку ее к выработкам 9, 10 осуществляют с помощью глубоководных горных машин (не показаны). В выработку 9 подают добытое полезное ископаемое 1, в выработку 10 - пустую породу из междупластий 2. Из выработки 9 полезное ископаемое с помощью гидротранспорта удалят за пределы затопленного выработанного пространства по трубопроводам 15, 19, а пустую породу из выработки 10 - по трубопроводу 16, 20. Процесс удаления отделенной от массива горной массы за пределы подземного затопленного пространства осуществляют синхронно с пополнением объема рабочей жидкости 13 в этом пространстве путем подачи в затопленное пространство рабочей жидкости 13. Рабочая жидкость 13 подается по трубопроводам 24, 25, 26 под давлением, создаваемым с помощью насосной установки 27, в которую рабочая жидкость 13 поступает из установки 28 приготовления рабочей жидкости 13. Для приготовления рабочей жидкости 13 используют жидкую фазу, получаемую при обезвоживании в установках 21 и 22 выдаваемой из шахты гидросмеси полезного ископаемого 1 и пустых пород 2 с рабочей жидкостью 13. Жидкую фазу доставляют до установки 28 приготовления рабочей жидкости 13 по трубопроводам 29, 30.

Обслуживающий добычные работы персонал спускается в затопленное выработанное пространство в гидрокостюмах и батискафах (не показаны), осуществляя связь с земной поверхностью через шлюзовое устройство 31.

Современные батискафы способны работать при давлении окружающей среды до 1000·10⁵ Н/м², что соответствует горному давлению в земной коре на глубине порядка 4000 м.

После завершения отработки запасов полезного ископаемого 1 и пустых пород междупластий 2 в пределах шахтного поля приступают к размещению в затопленном выработанном пространстве токсичных промышленных отходов или стратегических объектов (не показаны). Отходы или стратегические объекты вводят в затопленное выработанное пространство в герметичных контейнерах через шлюзовое устройство 31, шахтный ствол 5, дополнительную вскрывающую выработку 7 и обводную дополнительную вскрывающую выработку (не показана).

Процесс введения отходов или стратегических объектов в затопленное выработанное пространство осуществляют синхронно с удалением за пределы затопленного выработанного пространства через трубопровод 23 рабочей жидкости 13, в объеме, равном объему вводимых отходов или объектов.

Пример конкретного выполнения

При разработке свиты пластов (поз.1) минеральных солей, залегающих на глубине (Н_гп), равной 250 м, в качестве рабочей жидкости (поз.13) используют соляной раствор со средневзвешенным объемным весом (γ_рж), равным 12,3·10³ Н/м³. Средневзвешенный объемный вес горных пород, залегающих над разрабатываемой залежью полезного ископаемого (γ_гп), равен 22·10³ Н/м³; средневзвешенный объемный вес напорной жидкости (γ_нж) - 14,5·10³ H/м³.

Тогда в случае размещения напорной жидкости (поз.14) только в шахтном стволе (поз.5) необходимая высота столба напорной жидкости в шахтном стволе (Н_сшс), от устья ствола (поз.5) до пересечения его с нижней частью нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработки (поз.7), составит 1102,3 м. При размещении напорной жидкости (поз.14) в шахтном стволе (поз.5) и напорной колонне (поз. 12) высота столба напорной жидкости (поз.14) в напорной колонне (поз. 12) составит 118,7 м, при этом расстояние от нижнего уровня нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработки (поз.7) до кровли разрабатываемой залежи (H₁) принято по конструктивным технологическим соображениям равным 70 м, а высота столба напорной жидкости (поз.14) в шахтном стволе (поз.5) составляет 320 м. Суммарная высота столба напорной жидкости (в напорной колонне и шахтном стволе) составляет 438,7 м.

Таким образом, по второму варианту необходимая высота столба напорной жидкости (поз.14) в 2,5 раза меньше, чем по первому варианту.

Применение способа разработки месторождений полезных ископаемых В.А.Старцева позволяет впервые в мировой практике обеспечить полную выемку балансовых запасов полезных ископаемых, с сохранением выработанного пространства для изолированного захоронения токсичных промышленных отходов или стратегических объектов.

Изобретение может быть использовано в горном деле для подземной разработки полезных ископаемых, преимущественно водорастворимых, залегающих в водоупорных вмещающих горных породах, граничащих с обводненными горными породами. Способ включает добычу полезного ископаемого подземным шахтным способом в жидкой среде, под защитой толщи водоупорных горных пород. Производят полное затопление вспомогательных вскрывающих и подготовительных горных выработок, обеспечивающих начало очистных работ, рабочей жидкостью, нейтральной по отношению к полезному ископаемому и вмещающим горным породам и находящейся под давлением, соответствующим величине горного давления на глубине разработки. Синхронизацией процесс удаления отделенной от массива горной массы за пределы подземного затопленного пространства с пополнением объема рабочей жидкости в этом пространстве. Давление рабочей жидкости могут создавать путем воздействия на нее напорной жидкости, которую размещают или в шахтном стволе, гидравлически связанном с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, или в шахтном стволе и напорной колонне, расположенной на земной поверхности, над шахтным стволом, и гидравлически связанной с ним. Необходимую высоту столба напорной жидкости определяют по математическим выражениям. После завершения отработки запасов полезного ископаемого в пределах шахтного поля в затопленном выработанном пространстве размещают токсичные, токсичные и нетоксичные отходы промышленных производств или стратегические объекты, при этом процесс введения отходов и стратегических объектов в жидкую среду осуществляют синхронно с удалением за пределы затопленного пространства рабочей жидкости, в объеме, равном объему вводимых отходов или объектов. Изобретение направлено на повышение безопасности разработки с обеспечением полноты выемки полезного ископаемого с возможностью размещения в отработанном пространстве отходов и стратегических объектов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разработки месторождений полезных ископаемых, характеризующийся тем, что он включает добычу полезного ископаемого подземным шахтным способом в жидкой среде под защитой толщи водоупорных горных пород после полного затопления вспомогательных вскрывающих и подготовительных горных выработок, обеспечивающих начало очистных работ, рабочей жидкостью, нейтральной по отношению к полезному ископаемому и вмещающим горным породам и находящейся под давлением, соответствующим величине горного давления на глубине разработки, с синхронизацией процесса удаления отделенной от массива горной массы за пределы подземного затопленного пространства с пополнением объема рабочей жидкости в этом пространстве.2. Способ разработки месторождений полезных ископаемых по п.1, отличающийся тем, что давление рабочей жидкости создают путем воздействия на нее напорной жидкости, которую размещают или в шахтном стволе, гидравлически связанном с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой, при этом необходимую высоту столба напорной жидкости в шахтном стволе (Н_сшс) от устья ствола до пересечения его с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой определяют из выражения

где Н_гп - расчетная глубина залегания разрабатываемой залежи полезного ископаемого, м;

γ_гп - средневзвешенный объемный вес горных пород, залегающих над разрабатываемой залежью полезного ископаемого, Н/м³;

γ_рж - средневзвешенный объемный вес рабочей жидкости, Н/м³;

γ_нж - средневзвешенный объемный вес напорной жидкости, Н/м³,

или в шахтном стволе и напорной колонне, расположенной на земной поверхности над шахтным стволом и гидравлически связанной с ним, при этом высоту столба напорной жидкости в напорной колонне (Н_ск) определяют из выражения

где H₁ - высота столба рабочей жидкости в затопленном пространстве от нижнего уровня нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработки до кровли разрабатываемой залежи определяется по конструктивным и технологическим соображениям, м,

а высоту столба напорной жидкости в шахтном стволе от устья ствола до пересечения с нижней затопляемой вспомогательной вскрывающей выработкой определяют из выражения

Н_сшс=Н_гп+H₁, м.