СПОСОБ ОСУШЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2012 года по МПК E02D19/06 E21F16/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для утилизации дренажных вод при подземной разработке месторождения полезных ископаемых, залегающих под водоносным горизонтом.

Известен способ осушения месторождения полезных ископаемых (SU 977582, E02D 19/10, 30.11.1982), включающий сбор вокруг месторождения подземных вод с образованием депрессионной воронки, отвод их от месторождения, бурение водопоглощающих скважин в одну линию перпендикулярно радиусу депрессионной воронки и введение в них свободным наливом подземных вод с возвращением последних к месторождению по водоносному горизонту с частичной задержкой за счет образования линейной зоны пониженной водопроницаемости. Недостаток известного способа состоит в том, что он экономически неприемлем при подземной разработке месторождения.

Известен принятый в качестве прототипа способ восстановления гидрологических режимов горнодобывающих предприятий (RU 2293819, E02D 19/06, 20.02.2007). Он включает сбор подземных вод вокруг зоны разработки месторождения с образованием депрессионной воронки, очистку, аккумуляцию в подземном водосборнике и подачу в водоносный пласт, причем подачу аккумулируемого шахтного притока производят с помощью шахтного водоотлива в промежуточный отстойник (подземный или наземный), расположенный за границей депрессионной воронки в направлении линии, падения водоносного пласта, обеспечивая защиту от возврата воды в действующие горные выработки. Недостатком этого известного способа является повышенная стоимость эксплуатации и пониженная экологическая надежность, так как необходимо строительство промежуточных отстойников, а из-за необходимости подачи аккумулируемого шахтного притока за границу депрессионной выработки требуется значительная протяженность трубопроводов, к тому же на участке обратной закачки напоры достигают значений, превышающих экологически допустимые величины и рабочее давление обычно применяемых насосов.

Задача изобретения состояла в создании такого способа осушения месторождения полезных ископаемых, который позволял бы обеспечить экологически безопасную утилизацию техногенных дренажных вод за счет замкнутого их оборота в самом процессе осушения при повышении промышленной безопасности и снижении стоимости реализации.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата способ осушения месторождения полезных ископаемых включает сбор подземных вод по крайней мере вокруг зоны разработки месторождения с образованием депрессионной воронки, их очистку, аккумуляцию в подземном водосборнике и подачу части аккумулированного притока с помощью шахтного водоотлива на поверхность с последующей инфильтрацией в водоносный горизонт.

Отличительной особенностью патентуемого способа является то, что бурят с поверхности вокруг контура разработки месторождения в пределах депрессионной воронки закачные скважины и закачивают через них в водоносный горизонт поднятые на поверхность подземные воды, причем обеспечивают такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q_з был меньше дебита откачки Q_о, а напоры Н₃ подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров H_о вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий

Q_з<Q_о и H_з<H_о.

Предлагаемое изобретение поясняется: а) чертежами, где изображено:

на фиг.1 - способ осушения месторождения полезных ископаемых, фаза окончания проходки замкнутой вокруг трубкообразного месторождения подземной выработки (часть вертикального разреза);

на фиг.2 - то же, фаза окончания сооружения закачных скважин (часть вертикального разреза);

на фиг.3 - то же, фаза работы системы осушения после сооружения дренажных скважин (часть вертикального разреза);

на фиг.4 - то же, разрез А-А на фиг.3 (в увеличенном масштабе);

на фиг.5 - то же, вид Б на фиг.3;

на фиг.6 - то же, гидродинамическая схема прогнозных уровней подземных вод при осушении трубкообразного месторождения по расчетным данным численного моделирования методом конечных элементов;

б) таблицей (Гидродинамические параметры, принятые при расчете).

Предлагаемый способ осушения, например, трубкообразного месторождения полезных ископаемых состоит в создании дренажной системы и в обеспечении определенного режима ее функционирования.

Создание дренажной системы включает нижеследующее.

После проходки двух шахтных стволов 1 и 2 (фиг.1), пересекающих основной водоносный горизонт 3, и горизонтальной подготовительной выработки 4 в дренируемом водоносном горизонте 5 проходят дренажную выработку 6, замкнутую вокруг трубкообразного месторождения 7 полезного ископаемого (руды) 8.

С дневной поверхности 9 (фиг.2) бурят с помощью известного бурового оборудования вокруг месторождения 7 (вокруг его контура 7а разработки в пределах будущей депрессионной воронки) закачные скважины 10 с пересечением наносных пород 11 и водоносного горизонта 3. Закачные скважины 10 оборудуют обсадными трубами 12 с фильтрами 13 (в зоне водоносного горизонта 3).

Из дренажной выработки 6 (фиг.3 и 4) бурят веера 14 восстающих водосбросных скважин 15 в дренируемом водоносном горизонте 5, оборудуют их фильтрами 16 и кондукторами с запорной арматурой (на чертеже не показаны). Последние гидравлически соединяют с проложенным по дренажной выработке 6 коллектором 17, связанным с помощью проходящего по подготовительной выработке 4 трубопровода 18 с зумпфом 19 шахтного ствола 1.

Соединяют обсадные трубы 12 (фиг.5) с замкнутым наземным трубопроводом 20, а последний - с трубопроводом 21, часть 21а которого проложена по дневной поверхности 9, а вторая часть (вертикальная) 21б размещена в шахтном стволе 1 и представляет нагнетательный трубопровод шахтного водоотлива (насоса 22, связанного с зумпфом 19 всасывающей трубой 23 с фильтром 24).

Функционирование созданной дренажной системы заключается в следующем.

При работе дренажной системы осуществляют сбор подземных вод 25 по крайней мере вокруг зоны 26 разработки месторождения 7 с образованием депрессионной воронки 27, их очистку и аккумуляцию в подземном сборнике (зумпфе 19) и подачу части 28 аккумулированного притока на поверхность 9 по трубопроводу 21 шахтного водоотлива (с помощью насоса 22) в замкнутый трубопровод 20. После чего поднятые на поверхность подземные воды через закачные скважины 10 закачивают в водоносный горизонт 3 (в пределах депрессионной воронки 27), обеспечивая их инфильтрацию с зоной 29 распространения утилизированных таким образом дренажных вод, не выходящих за пределы депрессионной воронки 27. При этом обеспечивают такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q_з был меньше дебита откачки Q_о, а напоры H₃ подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров H_о вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий Q_з<Q_о и H_з<H_о.

Эффективность предлагаемого способа осушения месторождения полезных ископаемых, обеспечивающая утилизацию дренажных вод для реально возможной ситуации, подтверждена расчетным путем с помощью численного моделирования методом конечных элементов (программа MODFLOW пакета GMS 6.5). Период прогнозного моделирования составлял 25 лет.

Пример расчета

Исходные условия (фиг.6)

Отрабатываемое месторождение полезных ископаемых находится на глубине 600…650 м от поверхности земли (абс. отм. - 390… - 440 м) и приурочено к обводненным породам (водоносный горизонт 30). Средняя абсолютная отметка статистического уровня подземных вод в водоносном горизонте 30 составляет 150 м. Водоносный горизонт 30 отделен от питающего водообильного водоносного горизонта 31 толщей слабопроницаемых отложений 32. Средняя абсолютная отметка статического уровня подземных вод в водоносном горизонте 31 составляет 150 м. Гидродинамические параметры водоносных горизонтов 30 и 31, а также разделяющего слоя 32 даны в таблице.

Радиус контура питания водоносных горизонтов (30 и 31) 12,5 км, приведенный радиус дренажной системы 150 м, приведенный радиус площадной закачки дренажных вод 250 м.

Начальные условия для уровня подземных вод приняты по результатам моделирования задачи для стационарных условий при работе дренажной системы с дебитом откачки Q₀=682 м³/ч без обратной закачки дренажных вод.

На внешней границе области фильтрации задано постоянное значение уровня подземных вод Н=+150 м.

Результаты моделирования (на фиг.6 уровень подземных вод в верхнем или нижнем водоносном горизонте имеет обозначения «а» или «б» при цифре):

установившийся уровень при дебите дренажной системы Q_о=682 м³/ч без обратной закачки (кривые 33а и 33б),

уровень через 1 год при дебите закачки Q_з=500 м³/ч (кривые 34а и 34б),

установившийся уровень при дебите закачки Q_з=500 м³/ч (кривые 35а и 35б).

Приток к дренажной системе увеличился за счет закачки дренажных вод на 10 м³/ч, питание горизонта с внешних границ уменьшилось на 490 м³/ч. Объем утилизированных вод составил 600 м³/ч или 72% от откачиваемых объемов. Область распространения закачиваемых дренажных вод в верхнем водоносном горизонте локализована в области радиусом R≈700 м.

Использование изобретения позволит повысить экологическую безопасность горнодобывающих предприятий за счет исключения расстояния доставки закачиваемых дренажных вод за пределы депрессионной воронки и промышленной безопасности за счет полного перехвата дренажных вод.

Изобретение позволяет снизить стоимость работ по осушению месторождения, так как исключается надобность в сооружении аккумулирующих водосборников и трубопроводов значительной протяженности, а также понижаются энергетические затраты на закачку дренажных вод (подача дренажных вод прямо в зону депрессионной воронки осуществляется без роста напоров выше естественных значений, существовавших до начала откачки).

Утилизация подземных вод возможна при использовании изобретения и в случае разработки месторождения ниже затопленной горной выработки, например карьера, непосредственно в пределах глубокой части депрессионной воронки, вызванной осушением месторождения.

Таблица Гидродинамические параметры, принятые при расчете Водоносный горизонт Мощность, м Коэффициент фильтрации, м/сут Коэффициент упругоемкости, 1/м Коэффициент упругой водоотдачи Верхний (31) 80 10 2,5·10^-4 0,002 Нижний (30) 50 0,1 2,0·10^-5 0,001 Разделяющий слой (32) 10 0,0005 1,0·10^-5 0,0001

Изобретение может быть использовано при подземном способе добычи полезных ископаемых. Техническим результатом является обеспечение экологически безопасной утилизации техногенных дренажных вод. Способ включает сбор подземных вод в коллектор (17) вокруг зоны (26) разработки месторождения (7) руды (8) с образованием депрессионной воронки (27) за счет работы вееров (14) восстающих водосбросных скважин (15), пробуренных с дренажной кольцевой выработки (6). Из коллектора (17) выработки (6) приток подают самотеком по трубопроводу (18) подготовительной выработки (4) в зумпф (19) шахтного ствола (1) для очистки и аккумуляции. Затем подают часть (28) аккумулируемого притока с помощью насоса (22) шахтного водоотлива по трубопроводу (21) на поверхность (9) в замкнутый трубопровод (20), а из него - в водоносный горизонт (3) через предварительно пробуренные с поверхности (9) в пределах депрессионной воронки (27) закачные скважины (10), обеспечивая такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q_з был меньше дебита откачки Q_о, a напоры Н₃ подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров Но вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий Q₃<Q_о и Н₃<Н_о. 6 ил., 1 табл., 1 пр.

Способ осушения месторождений полезных ископаемых, включающий сбор подземных вод по крайней мере вокруг зоны разработки месторождения с образованием депрессионной воронки, их очистку, аккумуляцию в подземном водосборнике и подачу части аккумулированного притока с помощью шахтного водоотлива на поверхность с последующей инфильтрацией в водоносный горизонт, отличающийся тем, что бурят с поверхности вокруг контура разработки в пределах депрессионной воронки закачные скважины и закачивают через них в водоносный горизонт поднятые на поверхность подземные воды, причем обеспечивают такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q_З был меньше дебита откачки Q_О, а напоры Н_З подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров Н_О подземных вод вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий Q_З<Q_О и Н_З<Н_О.