СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ОБВОДНЕННОГО ГАЗОНАСЫЩЕННОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД К РАЗРАБОТКЕ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2013 года по МПК E21C41/16 E21F7/00 E21F16/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предварительной дегазации обводненных вмещающих пород для безопасного ведения подземных горных работ при отработке месторождений в особо сложных условиях по газоносности.

Известен способ предварительного осушения месторождения (патент РФ 2027022, БИ №2 от 20.01.95, E21F 16/00), включающий выделение тектонически активных блоков, которые определяют напряженное состояние горного массива, бурение водопонижающих скважин в разгруженные участки горного массива и откачку воды на поверхность.

Недостатком известного способа является то, что он не предназначен для отведения вод, обогащенных взрывоопасными газами, что делает его неприменимым на рудниках, опасных по газу.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ дегазации пластов-спутников (а.с. СССР №1749481, E21F 7/00, опубл. БИ. №27 от 23.07.1992), включающий определение залегания выше дегазируемого пласта водоносного слоя, бурение до ведения очистных работ встречно-направленных скважин из подготовительных выработок на сближенные пласты, располагая забой скважины выше водоподпорного слоя водоносного пласта, последовательный порционный отвод воды по скважинам из нижележащей горной выработки, а отсос газа - из вышележащей выработки и утилизацию откаченных подземных флюидов. При этом каждый порционный отвод воды прекращают при увеличении дебита газа в скважине вышележащей горной выработки и возобновляют отвод воды после падения дебита в ней.

Недостатком известного способа является то, что он ориентирован на дегазацию пластов, залегающих изолированно от водообводненных горизонтов, в результате чего для дегазации пласта используются воды, не насыщенные горючими газами. Подземные воды используются только в качестве средства гидравлического расширения сети трещин, и выдавливания газов из горного массива. Кроме того, перепуск вод и газов через скважины, пробуренные из нижележащих выработок, предусматривает подготовительные работы, ведущие к неоправданно высоким эксплуатационным и капитальным затратам.

Целью изобретения является повышение безопасности подземных горных работ за счет снижения количества поступающего горючего газа и природных вод в горные выработки из глубоких и прилегающих к месторождению горизонтов земных недр при снижении эксплуатационных и капитальных затрат

Поставленная цель достигается тем, что в способе подготовки обводненного газонасыщенного массива горных пород к разработке подземным способом, включающем бурение дренажно-дегазационных скважин до начала очистных работ, откачку подземных флюидов и их утилизацию, бурение скважин осуществляют в направлении сверху вниз в зоны повышенной трещиноватости за пределами подготавливаемой горной выработки, в непосредственной близости к ее профилю, ведут откачку газонасыщенных дренажных рассолов до установления уровня депрессионной кривой ниже горизонта очистных работ и поддерживают ее на этом уровне весь период отработки, причем при бурении скважин минимально допустимое расстояние к трассе подготавливаемой горной выработки принимают из расчета 0,035 м на каждый погонный метр скважины.

Бурение скважин в направлении сверху вниз в зоны повышенной трещиноватости в непосредственной близости к профилю подготавливаемой горной выработки, позволяет максимально полно дегазировать вмещающий массив. Это обусловлено тем, что например, для трубки Удачной основной подток газонасыщенных флюидов связан с кимберлитоконтролирующими разломами северо-восточного простирания, которые представляют собой зоны наиболее древних тектонических структур, покрытых многолетнемерзлыми породами, являющимися водогазоупорами. Наибольшее распространение в подземной гидросфере района имеют углеводородные газы с содержаниями до 1,1 м³/м³ (среднее - 0,6 м³/м³). Доля метана в них составляет 75-85%, концентрации тяжелых углеводородов возрастают до 1,9-10,0%, водорода 0,31-1,2%.

Газовая составляющая подземной геосферы района подразделяется на три формы нахождения: свободная, сорбированная и растворенная. При этом основная часть газов (95-98%) находится в растворенной форме в водах подмерзлотных горизонтов. Суммарное содержание сорбированных и свободных газов в породах месторождения варьируется от несколько десятков до 7000-8000 см³/кг. Причем, содержание сорбированных газов, как правило, выше, чем свободных, но они оказывают влияние на атмосферу горной выработки только в период ее проходки. Величина газонасыщенности массива пород тесно увязана и с его тектонической нарушенностью, т.е. возможностью миграции газов из глубинных интервалов горного пространства. Поэтому при создании возмущения гидродинамической системы наиболее подвижная ее фаза - газовые эманации выносятся с подземными рассолами на поверхность. Это позволяет повысить безопасность подземных горных работ.

При этом скважины должны располагаться за проектными границами подготавливаемых выработок, чтобы не допустить проникновения обогащенных газами природных рассолов из полости скважины в подземное пространство рудника. Это достигается тем, что при вероятном отклонении ствола скважины в 2°, минимально допустимое расстояние между проектными границами выработки и стволом скважины в плане принимается из расчета 0,035 м на каждый погонный метр глубины скважины, соответствующей глубине залегания выработки относительно отметки заложения скважины. Таким образом, к примеру, дренажно-дегазационную скважину, пересекающую горизонт выработки на глубине бурения в 100 м, следует закладывать в плане не ближе чем 3,5 м от проектных границ выработки.

При откачке газонасыщенных дренажных рассолов происходит возмущение гидродинамической системы, в водогазонасыщенных пластах возникает депрессия, что обеспечивает подток основной части растворенных газов к точке возмущения (водопонижающей скважине), характеризующейся минимальным давлением. Ничтожная часть растворенных газов, перешедшая в свободное состояние и перетекшая по осушенным трещинам в пространство выработки, не окажет заметного влияния на состав атмосферы подземных сооружений. Поэтому предварительная откачка воды из скважин, за пределами горных выработок, приведет к эффективной дегазации массива и к перехвату газонасыщенных флюидов из смежных областей в пределах депрессионной воронки, что позволит на 95 - 98% уменьшить газоприток в горную выработку.

Предлагаемый способ подготовки обводненных газонасыщенных массивов позволит снизить по отношению к известным техническим решениям капитальные и эксплуатационные затраты за счет исключения строительства подземного комплекса дренажных выработок, трубопроводных ставов, насосного, дегазационного оборудования для отвода воды и газа.

Способ проиллюстрирован фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена геофильтрационная схема породных массивов, вмещающих месторождение тр. Удачная; на фиг.2 - схема дегазации горного массива при проходке спирального съезда рудника «Удачный», где:

1 - трубка «Удачная»;

2 - слабопроницаемая зона Октябрьского разлома;

3, 4, 5 - зоны среднекембрийского водоносного комплекса с водопроницаемостью 6, 20 и 2 м³/сут соответственно;

6 - карьер трубки «Удачной» на конец отработки открытым способом;

7 - статический уровень напорных вод;

8 - водоупор (слабопроницаемый слой);

9, 10, 11 - зоны нижнекембрийского водоносного комплекса с проницаемостью 30, 50 и 0,3 м³/сут соответственно

12 - построенная без предварительной дегазации часть наклонного съезда;

13 - строящаяся часть наклонного съезда

14, 15, 16, 17 - дренажно-дегазационные скважины;

18 - положение депрессионной кривой на момент окончания отработки открытым способом (до подготовки газонасыщенного массива);

19 - положение депрессионной кривой на весь период строительства наклонного съезда 13.

Пример конкретного выполнения

По результатам анализа гидрогеологической ситуации в районе шахтного поля разрабатывают детальную геофильтрационную схематизацию породных массивов, вмещающих месторождение, учитывающую структурно-тектонический фактор, с выделением в плане и разрезе зон с пониженными и высокими гидродинамическими параметрами и флюидопроницаемостью, предопределяющими интенсивность поступления горючих углеводородных газов по вертикали и латерали в подземные выработки (фиг.1).

1. Определяют время и место вскрытия выработками наклонного съезда 13 зон, опасных по рассоло- и газопроявлениям, на основании анализа проектных планов проходки вскрывающих выработок в интервале основного водоносного комплекса. Размечают в плане места заложения скважин в зонах повышенной трещиноватости (наиболее флюидопроводящих) в непосредственной близости к профилю планируемой к проходке части 13 строящегося наклонного съезда при минимально допустимом расстоянии, которое принимается из расчета 0,035 м на каждый погонный метр скважины по достижению ею горизонта выработки.

2. Согласно схеме заложения (см. п.1) забуривают дренажно-дегазационные скважины во флюидопроводящие зоны: с дневной поверхности 14, из выработанного пространства карьера 15, от портала штольни наклонного съезда 16 и со специальных камер вышележащих подземных выработок 17 (фиг.2).

3. Скважины, обсаженные в верхней части, оборудуют погружными насосами, датчиками давления, а также изолированным трубопроводом и средствами оперативного газового контроля согласно требованиям техники безопасности. Глубина скважин, а также состав и мощность откачного оборудования в каждой геофильтрационной зоне рассчитываются с учетом ее размера, темпов проходки выработок, взаимовлияния созданных скважинами депрессионных воронок и т.д. Прогнозируемые объемы откачиваемых рассолов из скважин 14, 15, 16 и 17 составят 50, 40, 45 и 30 м³/ч соответственно. Газовый фактор вод Среднекембрийского водоносного комплекса - 0,6 м³/м³.

4. Время дренирования для создания депрессии, необходимой для водопонижения и предварительной дегазации, определяли по формуле (Б.В. Боревский, Б.Г. Самсонов, Л.С.Язвин. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек. М., «Недра», 1979, стр.9)

$$t_0\ge \frac{\mathrm{2,5}{r}^2}{a}$$ ,

где

r - расстояние от скважины, м;

а - коэффициент пьезопроводности, м²/cyт,

что составило 2-3 месяца до момента начала проходки выработки 13. Поэтому за 2 месяца начали проводить откачку газонасыщенных дренажных рассолов одновременно по всем скважинам в указанных выше объемах.

В результате описанной подготовки (откачки) депрессионная кривая 18, сложившаяся к моменту отработки карьера деградировала до абсолютных отметок 19, находящихся ниже выработок строящегося наклонного съезда 13.

Достигнутое в результате предварительного дренажа положение депрессионной кривой 19 поддерживается в устойчивом состоянии на протяжении всего периода строительства и эксплуатации выработок 13 путем периодической откачки газонасыщенных дренажных рассолов. Контроль за эффективностью водопонижения и дегазации осуществляется путем снятия показаний с датчиков давления, которыми оборудованы все скважины. Извлекаемые рассолы поднимаются на дневную поверхность и утилизируются в соответствии с проектом на Киенгском полигоне захоронения.

Далее, на последующих этапах отработки месторождения, по мере развития очистных работ, проводят подготовку следующих строящихся подземных выработок путем дальнейшего углубления депрессионной воронки с помощью дополнительных дренажно-дегазационных скважин.

Предлагаемый способ позволил значительно снизить приток углеводородных газов, основное количество которых поступало в подземные выработки из рассолов водоносных комплексов. Остаточные притоки в выработки свободных и сорбированных углеводородных газов непрерывно контролируются автоматической системой газового контроля. В случае превышения допустимого уровня притока горючих газов, определяемого возможностями применяемой схемы проветривания, в указанную схему предусмотрено внесение корректировок.

Способ подготовки обводненного газонасыщенного массива горных пород к разработке подземным способом может быть использован для предварительной дегазации при отработке месторождений в особо сложных условиях по газоносности. Для реализации способа в зоны повышенной трещиноватости за пределами подготавливаемой горной выработки бурят дренажно-дегазационные скважины. Скважины бурят в направлении сверху вниз в непосредственной близости к профилю подготавливаемой горной выработки. Откачку газонасыщенных дренажных рассолов ведут до установления уровня депрессионной кривой ниже горизонта очистных работ и поддерживают ее на этом уровне весь период отработки. Причем при бурении скважин минимально допустимое расстояние к профилю подготавливаемой горной выработки принимается из расчета 0,035 м на каждый погонный метр скважины. Способ позволяет повысить безопасность подземных горных работ за счет снижения количества поступающего горючего газа и природных вод в горные выработки из глубоких и прилегающих к месторождению горизонтов земных недр. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подготовки обводненного газонасыщенного массива горных пород к разработке подземным способом, включающий бурение дренажно-дегазационных скважин до начала очистных работ, откачку подземных флюидов и их утилизацию, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют в направлении сверху вниз в зоны повышенной трещиноватости и проницаемости за пределами подготавливаемой горной выработки в непосредственной близости к ее профилю, выполняют откачку газонасыщенных дренажных рассолов до установления уровня депрессионной кривой ниже горизонта очистных работ и поддерживают ее на этом уровне весь период отработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при бурении скважин минимально допустимое расстояние к профилю подготавливаемой горной выработки принимают из расчета 0,035 м на каждый погонный метр скважины.