СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНА ПОД ВОДОЕМОМ ПОСЛЕ ОТРАБОТКИ КАРЬЕРА Российский патент 2015 года по МПК E21B33/00 E21C41/00 

Изобретение относится к способам ликвидации притока подземных вод в горные выработки при доработке месторождений подземным способом, к примеру, для условий криолитозоны Западной Якутии.

Известен способ защиты подземных работ от проникновения вод, включающий создание противофильтрационного экрана между подземными горными работами и водоемом на дневной поверхности, ложе водоема создают выемкой горных пород, а дно формируют в зоне многолетнемерзлых пород, наносят на дно покрытие из сцементированной замораживанием глинистой смеси. В качестве глинистой смеси используют промывочные хвосты обогатительной фабрики с плотностью выше плотности подземных вод. Затем водоем заполняют водой из водоносных горизонтов, расположенных выше созданного покрытия (А.С. СССР №1633125, Е21С 41/00, заявка №4474377 от 15.08.88 г., опубл. 07.03.91., Бюл. №9).

Недостатком данного способа является невозможность создания противофильтрационного экрана на дне карьера из-за ликвидации транспортных берм и дорог. Отсутствие многолетнемерзлых пород в требуемых интервалах разреза для изоляции подземных горных выработок, наличие постоянного притока дренажных агрессивных рассолов в карьер также препятствует созданию замораживающей глинистой толщи.

Известны способы сооружения подземной непроницаемой завесы и обеспечения сокращения подземного стока за пределы завесы, включающие проходку вертикального ствола, бурение из него горизонтальных скважин, нагнетание через них закрепляющих и твердеющих растворов. В зоне необходимого пересечения водоносного горизонта или рядом с подземным техногенным процессом дополнительно сооружают вертикальные стволы, соединяют их между собой рядами горизонтальных скважин, которые располагают в вертикальной плоскости одна над другой, затем нагнетая в них твердеющий раствор, образуют подземную непроницаемую завесу, перекрывающую водоносный горизонт от верхнего до нижнего водоупора или зону распространения подземного техногенного процесса (Патент РФ №2375580 C1, E21F 17/00, заявка №2008131979 от 01.08.2008 г., опубл. 10.12.2009 г., Бюл. №4).

Недостатком данного способа является низкая эффективность сплошной тампонажной завесы в условиях напорных водоносных горизонтов. Аналогичное мероприятие на месторождении уже выполнялось с созданием глиноцементной тампонажной завесы при бурении 300 скважин вокруг карьера и закачкой цементирующих смесей в водонасыщенный слой с проектными объемами 3000 м³ раствора на каждую скважину, которое показало себя как малоэффективное. Кроме того, в случае реализации способа стоимость работ по проходке и строительству вертикальных стволов, месторасположение которых требует обязательную заморозку водонасыщенного массива перед вскрытием, с последующим бурением горизонтальных скважин, обеспечивающих полное перекрытие требуемого для кольматации подземного пространства водоносного горизонта, достаточно высока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ стабилизации подземных формаций, включающий введение стабилизирующей композиции в подземную формацию, например, прокачиванием через трещины и поры, имеющиеся в формации, и выдержкой стабилизирующей композиции до отверждения ее, при котором происходит стабилизация формации. Стабилизирующая композиция включает неусаживающуюся полиэфирную смолу, катализатор, различные добавки и наполнители (Патент РФ №2109922 C1, E21B 33/13, заявка №95109919 от 17.06.93 г., опубл. 27.04.98 г., Бюл. №12).

Недостатком данного способа являются низкие прочностные показатели сооружаемого экрана, невозможность создания жесткой техногенной толщи, способной выдержать требуемые повышенные геомеханические нагрузки за счет возрастания геостатического давления при остановке водоотлива системы «сухой» консервации с последующим заполнением карьера вскрышной породой и дренажными водами из водоносного горизонта. В агрессивной среде и при отрицательных температурах данные композиции не создают необходимые прочностные и противофильтрационные показатели заполнителя трещин, т.к. образующийся при смешении компонентов со вспениванием материал приобретает гигроскопичные свойства.

Задачей изобретения является повышение прочности и усиление противофильтрационных свойств экрана при заполнении (консервации) карьера для безопасного проведения подземных горных работ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе герметизации противофильтрационного экрана под водоемом после отработки карьера, включающем закачку заполняющих материалов и выдержку до отверждения их, в качестве заполняющего материала в нижнюю часть противофильтрационного экрана, содержащего долеритовые породы, закачивают цементный раствор под давлением, превышающим гидростатическое, через скважины, пробуренные из подземных выработок, а после затвердевания созданный породоцементного слой противофильтрационного экрана и в верхнюю часть рудного предохранительного целика, оставленного под противофильтрационным экраном, дополнительно тампонируют локальными инъекциями гелеобразующей композиции ГАЛКА^®-НТМ на основе системы «соль алюминия - карбамид - уротропин - вода» под давлением, меньшим давления разрыва толщи рудного предохранительного целика.

Причем цементный раствор закачивают под давлением 0,7-0,8 МПа, а инъекции гелеобразующей композиции ГАЛКА^® - НТМ проводят под давлением 0,5-0,6 МПа.

Цементный раствор для закачки готовят на основе сульфатостойкого или глиноземистого цементов с 2% добавкой хлористого кальция.

А гелеобразующий состав ГАЛКА^®-НТМ закачивают при следующем соотношении компонентов, мас. %:

соль алюминия 5-15 карбамид 20-35 уротропин 3-10 вода остальное

Закачка под давлением цементного раствора в нижнюю часть предохранительного экрана, содержащего долеритовые породы, позволяет создать жесткую монолитную плиту, способную выдержать геостатическое давление, которое возникнет при заполнении карьерного пространства дренажными водами и вскрышными породами. Давление, под которым нагнетают цементный раствор, определено на основании гидростатического давления, созданного высотой столба рассола над предохранительным экраном, и рассчитано на прогнозных моделях. При схватывании цементного раствора образуется цементный камень, который формирует жесткость техногенной толщи. Мощность дополнительного геомеханического экрана в виде породоцементной плиты, согласно выполненным расчетам должна составлять порядка 10 м.

Дополнительный тампонаж созданного породоцементного слоя гелеобразующими растворами позволяет ликвидировать оставшиеся порово-трещинные пустоты с созданием сплошного водонепроницаемого экрана. Давление, при котором иньектируют толщу, определено с учетом гидростатического давления в созданном экране (0,5 МПа) и прочностных показателей кимберлитов рудного предохранительного целика. При проведении инъекций гелеобразующими растворами под давлением 0,5-0,6 МПа происходит заполнение локальной пустотности массива и отверждение введенных растворов с созданием водонепроницаемого экрана.

Инъектирование гелеобразующими растворами верхней части рудного предохранительного целика создает дополнительное фильтрационное сопротивление в горном массиве и позволяет снизить или полностью убрать проскоки подземных вод в горные выработки рудника.

На фиг. 1 приведен разрез месторождения трубки Мир с уже существующим противофильтрационным экраном, созданным при «сухой» консервации карьера.

На фиг. 2 показаны этапы герметизации противофильтрационного экрана под опасным водным объектом над подземными горными выработками - а) цементирование долеритовой породы (отсыпки); б) дополнительное инъекционное тампонирование гелеобразующими растворами в уже созданном породоцементном слое оставшихся водопроводящих зон, а также верхней части рудного предохранительного целика.

На фиг. 3 приведены зависимости коэффициента фильтрации жидкости и градиента давления с исходной газопроницаемостью в мкм²: а - 14.165; б - 11.852 (после закачки цементно-песчаного раствора на основе сульфатостойкого или глиноземистого цементов с 2% добавкой хлористого кальция при температуре 2°С в дезинтегрированную кимберлитовую породу, соответствующую нижней части противофильтрационного экрана) от объемов закачки растворов гелеобразующих композиций,

где 1 - метегеро-ичерский водоносный комплекс;

2 - рудное тело с оставшимися запасами алмазов;

3 - долеритовая отсыпка;

4 - суглинистые грунты, на которые уложен сварной полиэтиленовый экран из пленки толщиной 2 мм;

5 - штольня для сбора воды с поверхности экрана;

6 - рудный предохранительный целик;

7 - подземные горные выработки;

8 - скважины для закачки цементно-песчаного раствора;

9 - скважины для закачки гелеобразующей композиции ГАЛКА^®.

Пример.

Открытые горные работы на месторождении трубки «Мир» были завершены в 2001 г. при глубине карьера 525 м. В процессе отработки был вскрыт на полную мощность метегеро-ичерский водоносный комплекс 1 с водопритоком порядка 1200 м³/час. Для извлечения оставшихся запасов алмазов 2 на месторождении в 2009 г. был введен подземный рудник «Мир». Подземная отработка запасов месторождения выполняется в нисходящем порядке. Очистные работы осуществляются с применением слоевой системы разработки с механизированной (комбайновой) отбойкой руды и полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. По состоянию на конец 2013 г. в отм. -226…-230 м сформирован разрезной слой №4 из твердеющей закладки мощностью 5 м, и №5, находящийся в отметках -230…-235 м. Не отработаны и не заложены только две ленты 33 и 35. На отм. -265 м завершаются нарезные работы по разрезному слою №11.

Для защиты подземных горных выработок от затопления в 2004 г. в нижней части карьера был сооружен противофильтрационный экран - система «сухой» консервации карьера, состоящий из насыпи крупнообломочных скальных пород - долеритовой отсыпки 3, поверх которых был насыпан слой укатанных суглинистых грунтов 4, на которые уложен сварной полиэтиленовый экран из пленки толщиной 2 мм. Вода с поверхности экрана по специальной штольне 5 поступает к погружным насосам, размещенным в водоподъемных скважинах, пробуренных с верхней бермы карьера. Откачанная вода по системе водоводов, проложенных на поверхности, подается в пруд-накопитель, из которого перекачивается и удаляется обратно через специальные скважины в подмерзлотный водоносный комплекс на полигоне закачки.

Очистные работы выполняются под защитой рудного предохранительного целика 6, оставленного в отм. -190…-210 абс. м, мощность которого, согласно выполненным расчетам, не превышает 20 м. Площадь горизонтального сечения рудного предохранительного целика 6 составляет около 30 тыс. м².

В последнее время, в связи с повышением уровня воды в карьере выше проектных отметок и растворением галитового наполнителя в рудном предохранительном целике 6 наблюдается поступление рассолов из карьерного пространства с увеличением водопритоков (до 80 м³/час) в подземные горные выработки 7. Вмещающие породы в блоке №1 рудника «Мир» представлены, в основном, растворимыми галогенными породами. Трещины и поры кимберлита также заполнены каменной солью, при увлажнении кимберлитов подземными водами резко снижается их прочность и происходят обрушения рудных блоков из кровельной части выработок.

Перед началом первого этапа исследований был выполнен анализ всех существующих геолого-гидрогеологических и других материалов по месторождению, намечена стратегия и методология по герметизации противофильтрационного экрана и рудного предохранительного целика на руднике «Мир». Рассмотрены разные варианты технологий и места герметизации этой части массива, при этом учитывалась необходимость полного извлечения подкарьерных запасов на месторождении. Решение возникшей проблемы требует реализации следующих основных положений: 1) создать экран, обладающий такими деформационными показателями, которые способны выдержать геостатические нагрузки, соответствующие полному заполнению карьерного пространства трубки «Мир», до естественных отметок и выше, с учетом попадания атмосферных осадков; 2) созданный (усиленный) породоцементный экран и верхнюю часть рудного целика необходимо повторно протампонировать методом локальных инъекций, к примеру, гелеобразующими композициями ГАЛКА^®.

Представленная концепция на решение создавшейся проблемы с учетом полного извлечения кимберлитовой руды в блоке №1 намечена следующим образом (фиг. 2). Создание жесткого техногенного экрана, способного выдержать геостатические нагрузки при заполнении карьерного пространства водой (породой), возможно только в толще крупнообъемной долеритовой отсыпки, которую необходимо закрепить соответствующими цементно-песчаными растворами на основе сульфатостойкого или глиноземистого цементов с 2% добавкой хлористого кальция с созданием породоцементного экрана. Поэтому на первом этапе исследований выполняется расчет мощности жесткого породоцементного основания техногенного экрана с требуемыми прочностными свойствами исходя из следующих соображений.

Внешние гео- и гидростатические нагрузки рассчитываются при условии заполнения карьера до статического уровня (+215 абс. м). Расчет гео- и гидростатического давления, которое должна выдержать дополнительная породоцементная плита при заполнении карьера водой (природными рассолами), определен следующим образом:

Р=Н×ρ=(215 м+190 м)×1,08=437 м (водяного столба)=4,4 МПа,

где Р - гидростатическое давление, МПа;

Н - высота столба жидкости (рассола) складывается из столба жидкости от полотна карьера до отметки статического уровня в водоносном комплексе, м;

ρ - плотность жидкости (рассола), г/дм³.

Расчет толщины дополнительного экрана (плиты), возводимой из бетона при условиях его прочности, может быть выполнен по формуле

где; L_п - толщина геомеханического экрана, возводимого из бетона, м;

λ_п - коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1-1,2;

П - периметр кимберлитовой трубки, 220 м;

k_в - коэффициент, учитывающий форму тела и равный 3,4-3,7;

S - площадь, воспринимающая создаваемое давление, 30000 м²;

Р - максимальное давление столба жидкости, 4,4 мПа или 440 м водяного столба при плотности 1 г/дм³;

α - угол наклона боковых граней перемычки, принимаемый равным 80°;

R_б - расчетное сопротивление бетона сжатию, 50 МПа (или 500 м вод. ст.).

Для создания жесткого техногенного экрана, способного выдержать геостатические нагрузки при заполнении карьерного пространства водой (породой) на первом этапе (фиг. 2а) из подземных горных выработок 7 рудника, производят бурение закачных скважин 8 длиной 25-30 м в нижнюю часть - долеритовую отсыпку 3 уже созданного ранее противофильтрационного экрана при «сухой» консервации карьера. Далее через скважины 8 производят закачку цементно-песчаного раствора на основе сульфатостойкого или глиноземистого цемента с водоцементным отношением 0,5 и ускорителем схватывания - CaCl₂ (2%). В качестве мелкого заполнителя рекомендуется применить хвосты твердых отходов. Закачку производят под давлением, превышающим гидростатический напор (0,7-0,8 МПа). Объемные показатели закачиваемого цементно-песчаного раствора рассчитываются в соответствии с необходимой мощностью создаваемого жесткого противофильтрационного экрана (10 м). После заполнения цементно-песчаным раствором пустотного пространства в крупноглыбовой части противофильтрационного экрана производится выдержка (ОЗЦ) для затвердевания раствора в течение 72 часов.

Для улучшения противофильтрационных свойств элементов «сухой» консервации карьера «Мир», направленных на сокращение водопритоков в подземные горные выработки рудника, необходим второй этап герметизации противофильтрационного экрана и рудного предохранительного целика над подземными горными выработками под опасным водным объектом. Следующий этап по ликвидации отдельных водопроявлений (фиг. 2б) проводится методом локальных инъекций гелеобразующими композициями ГАЛКА^®.

Гелеобразующие композиции ГАЛКА^® маловязкие водные растворы, имеющие низкие температуры застывания, что позволяет использовать их для низкопроницаемых пород в зимних условиях. Твердая товарная форма композиции ГАЛКА^® (ТУ 2163-015-00205067-01) растворяется в воде любой минерализации.

За счет закачки гелеобразующего раствора в скважины образуется гелевый экран, создающий противофильтрационную завесу, которая упрочняется при замораживании - оттаивании. Они безвредны для людей и экологически безопасны для окружающей среды.

Физико-химические свойства раствора гелеобразующей композиции приведены в таблице.

Проведены исследования структурно-механических свойств образцов грунтов, наполненных гелеобразующей композицией. В качестве структурно-механических свойств использовали значения модуля упругости и пластической прочности. Образование геля в образцах грунтов сопровождается улучшением структурно-механических свойств грунтов, наполненных раствором гелеобразующей композиции. Значения модуля упругости увеличиваются минимально на 40%, максимально в 5,4 раза, значения пластической прочности - минимально на 10-40%, максимально в 28 раз.

Проведено физическое моделирование процесса фильтрации минерализованной воды карьера «Мир» и гелеобразующих композиций при постоянном расходе через модель, заполненную дезинтегрированной кимберлитовой породой из карьера «Мир» (фракция 0,16-0,59 мм) и насыщенную минерализованной водой карьера «Мир», при температурах минус 2°С и плюс 2°С. Использовали растворы гелеобразующей композиции ГАЛКА^®. Характеристики композиции, использованной в опытах, приведены в таблице.

Исходная газопроницаемость моделей находилась в интервале от 11,852 мкм² (фиг. 3а) до 14,165 мкм² (фиг. 3б), противодавление - 7,5 атм. Время испытаний при указанных температурах - от 36 до 48 часов. По полученным данным рассчитывали градиент давления (grad Р, атм/м), коэффициент фильтрации (V, м/сут). Результаты исследований приведены на фиг. 3. Как видно из фиг. 3, закачка гелеобразующей композиции ГАЛКА^® приводит к резкому снижению коэффициента фильтрации: от 2,2-2,72 до 0,001-0,02 м/сут для композиции ГАЛКА^®. При этом градиент давления возрастает с 0,75-1,5 атм/м до 190-240 атм/м. Таким образом, для тампонирования предохранительного и рудного целика карьера «Мир» предлагается использовать композицию ГАЛКА^®. Для закачки гелеобразующих растворов приняты следующие параметры для тампонажных работ: среднее значение пористости 5%, длина скважины 40-50 м, радиус распространения композиции 2-3 м, объем закачки композиции составит ~1 м³ на 1 м проходки (длины скважины), то есть ~50 м³ на одну скважину.

При приготовлении гелеобразующей композиции ГАЛКА^® используется твердая товарная форма ГАЛКА^®, содержащая 30% мас. гидроксохлорида алюминия и 70% мас. карбамида (ТУ 2163-015-00205067-01). Для приготовления 50 м³ гелеобразующей композиции ГАЛКА^® необходимы следующие реагенты:

Твердая товарная форма композиции ГАЛКА^® 16,7 т Уротропин технический (гексаметилентетрамин) 2,5 т Вода (минерализованная вода рудника «Мир» или пресная вода) 30,8 т

Приготовление раствора гелеобразующей композиции ГАЛКА^® в промысловых условиях можно осуществлять с использованием либо минерализованной воды рудника «Мир» и пресной воды (способ 1), либо только минерализованной воды рудника «Мир» (способ 2). Предварительно готовят два раствора.

По способу 1 готовят раствор добавлением при перемешивании к 1 м³ минерализованной воды рудника «Мир» 1 т твердой товарной формы композиции ГАЛКА^®, после растворения получаем ~2 т раствора. Для получения второго раствора к 0.85 м³ пресной воды добавляем при перемешивании 150 кг уротропина, после растворения получаем ~1 м³ раствора. Затем при смешивании ~2 т одного раствора и ~1 т второго раствора получаем после перемешивания ~3 т закачиваемого раствора.

По способу 2 готовили два раствора. К 0.5 м³ минерализованной воды рудника «Мир» добавляем при перемешивании 1 т твердой товарной формы композиции ГАЛКА^®, после растворения получаем ~1.5 м³ раствора 1. Для приготовления второго раствора в 1.35 м³ минерализованной воды рудника «Мир» добавляем 150 кг уротропина, после перемешивания получаем ~1.5 м³ раствора 2. Затем смешиваем два раствора и получаем после перемешивания ~3 т закачиваемого раствора.

Контроль прогерметизированного противофильтрационного экрана и верхней части рудного предохранительного целика проводился по данным проницаемости, полученным с помощью комплекса разработанных методов контроля (георадарных, тензометрических, геофизических и др.), а также по данным контрольных скважин, пробуренных в техногенную толщу, которые впоследствии тампонируются, и по фактическим наблюдениям в подземных горных выработках.

В процессе производства дальнейших подземных горных работ на руднике возможно выполнить дополнительное усиление экранирующих свойств созданного геомеханического экрана путем складирования в выработанном пространстве карьера отвальных пород и последующей их замывкой мелкодисперсными глинистыми хвостами обогатительной фабрики №3. Это позволит уменьшить площади занимаемые отвальными вскрышными породами вблизи городских построек и решить проблему складирования жидких пульпообразных отходов после обогащения кимберлитовой руды.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет полностью герметизировать дополнительный противофильтрационный экран под водоемом после отработки карьера на месторождении трубки «Мир».

Способ герметизации противофильтрационного экрана под водоемом после отработки карьера предназначен для ликвидации притока подземных вод в горные выработки при доработке месторождений подземным способом, к примеру, для условий криолитозоны Западной Якутии. Технической задачей является повышение прочности и усиление противофильтрационных свойств экрана при заполнении (консервации) карьера для безопасного проведения подземных горных работ. Для этого в нижнюю часть уже созданного противофильтрационного экрана, содержащего долеритовые породы, закачивают цементный раствор на основе сульфатостойкого или глиноземистого цемента с 2% добавкой хлористого кальция под давлением 0,7-0,8 МПа, превышающим гидростатическое, через скважины, пробуренные из подземных выработок. Выдерживают до затвердевания. После затвердевания созданный породоцементный слой противофильтрационного экрана и верхнюю часть рудного целика дополнительно тампонируют локальными инъекциями гелеобразующих составов ГАЛКА^® под давлением 0,5-0,6 МПа, меньшим давления разрыва толщи рудного предохранительного целика, оставленного под противофильтрационным экраном. Гелеобразующий состав ГАЛКА^® имеет следующее соотношение компонентов, мас. % : соль алюминия 5-15; карбамид 20-35; уротропин 3-10; вода - остальное. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ герметизации противофильтрационного экрана на дне карьера под водоемом после отработки карьера, включающий нагнетание заполняющих материалов и выдержку до отверждения их, отличающийся тем, что в качестве заполняющего материала в нижнюю часть противофильтрационного экрана, содержащего долеритовые породы, закачивают цементно-песчаный раствор на основе сульфатостойкого или глиноземистого цемента с 2% добавкой хлористого кальция под давлением, превышающим гидростатическое, через скважины, пробуренные из подземных выработок, а после затвердевания созданный породоцементный слой противофильтрационного экрана и верхнюю часть рудного предохранительного целика, оставленного под противофильтрационным экраном, дополнительно тампонируют локальными инъекциями гелеобразующих составов ГАЛКА^® на основе системы «гидроксохлорид алюминия - карбамид - уротропин - вода» под давлением, меньшим давления разрыва толщи рудного предохранительного целика.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что песчано-цементный раствор закачивают под давлением 0,7-0,8 МПа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что локальные инъекции гелеобразующих композиций проводят под давлением 0,5-0,6 МПа.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что композицию ГАЛКА^® закачивают при соотношении компонентов, масс.%:
гидроксохлорид алюминия 5-15 карбамид 20-35 уротропин 3-10 вода остальное