Способ предотвращения затопления калийных рудников Российский патент 2025 года по МПК E21D11/38 E02D19/10 E21C41/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано на калийных предприятиях при аварийных ситуациях, связанных с поступлением в горные выработки вод из водоносных горизонтов надсолевого комплекса пород (НКП) и формированием провальных воронок.

Уровень техники

Из современного технического уровня известен поверхностный (бесшахтный) способ осушения рудников и шахт, который заключается в бурении за внешней границей осушаемого рудного поля заградительного контура глубоких водопонижающих скважин, оборудованных скважинными погружными насосами (Болотских Н.С., Кузькин B.C., Пономаренко Ю.В. и др. Справочник по осушению горных пород. М: Недра, 1984).

Недостатком этого способа является ненадежность создаваемого контура скважин, допускающего проскок подземных вод в карьер, достигающий иногда 50% от общего притока подземных вод.

Известен способ предотвращения затопления калийных рудников, включающий бурение скважин с поверхности до верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками и закачку (нагнетание) тампонажного раствора (Шиман М.И. Предотвращение затопления калийных рудников. - М.: Недра, 1992, с. 21-23).

Способ не обладает достаточной надежностью с отсутствием гидродинамической изоляции обрабатываемого объема пласта и необходимостью применения взрывчатки, вследствие чего может быть нарушена целостность водозащитной толщи.

Известна система защиты выработок от водопритоков, включающая контурную противофильтрационную завесу и водопонижающие скважины в границах территории огражденной этой завесой. Система позволяет обеспечить требуемый уровень осушения при глубине распространения водоносных пород до 50-60 м. (Н.Н. Рогатин, Н.П. Сенаторов «Противофильтрационные завесы на карьерах» М. «Недра», с. 14-20, 1979).

Система показала неэффективность ПФЗ в безнапорном водоносном горизонте с мощностью 50 и более метров.

Известен комплекс мероприятий по ликвидации последствий техногенной катастрофы в районе провала земной поверхности на калийном руднике, включающий формирование внутри кольца водопонижающих скважин, расположенных по периметру опасной зоны вокруг провала, замкнутой противофильтрационной завесы (ПФЗ), располагаемой по контуру границы опасной зоны сдвижения горных пород путем нагнетания глиноцементных растворов через пробуренные тампонажные скважины в потенциально опасные водопроницаемые горизонты терригенно-карбонатной толщи (ТКТ) и в зону контакта ТКТ и верхней подтолщи соляно- мергельной толщи (СМТ2). При этом сооружение ПФЗ осуществляют в две очереди: бурение скважин 1-й очереди для получения замкнутого кольца, обеспечивающего снижение притоков воды к опасной зоне, а затем бурение скважин 2-й очереди, в которых дополнительно проводится комплекс гидродинамических исследований для определения качества ПФЗ и снижения коэффициента фильтрации (Кф) пород в теле ПФЗ и нагнетание тампонажного раствора. Наравне с завершением сооружения противофильтрационной завесы производят закладку провальной воронки и гидравлическую закладку отработанного пространства для исключения деформации горного массива (Полозов Ю.А., Бизянов Е.Е., Лазебник А.Ю. Ликвидация последствий техногенной катастрофы в районе провала земной поверхности на калийном руднике. Сборник научных трудов ДонГТИ. - 2021. - №23 (66). - с. 5-12) - прототип.

Способ характеризуется технической сложностью исполнения и значительными временными и финансовыми затратами. В способе не учтены гидрогеологические условия на аварийном участке, в т.ч. тесная взаимосвязь водоносных горизонтов ТКТ и СМТ2, которая не исключает вероятность увеличения объемов перетока вод вниз по разрезу горного массива за кольцевой вертикальной стенкой в грунте.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат изобретения заключается в обеспечении безопасного ведения горных работ снижением объема поступления надсолевых вод в соленосную часть разреза породного массива и притоков рассолов в горные выработки рудника за счет сработки уровня наиболее водообильного водоносного горизонта и перехвата его транзитных вод.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе предотвращения затопления калийных рудников, включающем создание кольцевого водопонижающего контура из вертикальных откачивающих скважин вокруг провальной воронки, формирование внутри водопонижающего контура противофильтрационной завесы в горном массиве путем нагнетания тампонажного раствора через пробуренные тампонажные скважины и засыпку провальной воронки, в соответствии с изобретением контур водопонижающих скважин размещают за границей зон разуплотнения пород с расположением скважин контура и осуществлением режима откачки вод, обеспечивающим снижение гидростатического давления и формирование воронки депрессии в водоносном горизонте терригенно-карбонатной толщи на участке провальной воронки, противофильтрационную завесу создают в нижних горизонтах по напластованию пород соляно-мергельной толщи и в соленосной толще на участках разуплотнения пород, прилегающих к провальной воронке, а провальную воронку заполняют слабопроницаемыми материалами с перекрытием водоносных горизонтов.

Для усиления контура водопонижающих скважин создают внешнее полукольцо скважин вверх по потоку транзитных вод откачиваемого горизонта.

Для безопасной работы рудника при аварийной ситуации необходимо создать такие условия, при которых водопритоки локализованы, стабильны во времени и не превышают определенную величину.

В условиях прорыва и поступления надсолевых вод в рудник по мере развития карстовых процессов в породном массиве происходит расширение провальной воронки, участков разуплотнения пород, соответственно расширяется зона максимальных негативных изменений. В таких условиях для обеспечения локализации водопритока и безопасного ведения горных работ предусматривается вынос контура водопонижающих скважин (а также других объектов комплекса сооружений по отводу транзитных водосборные трубопроводы; насосные станции с регулирующими емкостями; водоотводящие трубопроводы и т.д.) за границу зон разуплотнения пород горного массива.

Формирование депрессионной воронки с высокой степенью сработки уровня подземных вод на участке провальной воронки достигается откачкой из скважин водопонижающего контура, расположенных по периметру за границей зон разуплотнения породного массива.

Откачка вод контуром водопонижающих скважин регламентируется сработкой уровня водоносного горизонта на участке провальной воронки до значений, обеспечивающих превышение напоров нижних водоносных горизонтов над уровнем осушаемых верхних горизонтов (формирование отрицательных вертикальных гидравлических градиентов). В этом случае исключается переток вод из наиболее водообильного горизонта к соляной залежи.

Дополнительное усиление контура внешним полукольцом скважин вверх по потоку вод откачиваемого горизонта позволяет повысить эффективность перехвата транзитных вод, поступающих на участок провальной воронки с областей питания горизонта.

Противофильтрационную завесу, в отличие от прототипа, создают за счет инъекций тампонажных материалов через скважины горизонтально-наклонного бурения (ГНБ) в карстовые пустоты и полости по напластованию пород соляно-мергельной толщи, что позволяет уменьшить емкостные и фильтрационные свойства пород нижних горизонтов. Состояние завесы определяется по динамике уровенного режима вод в нижней части разреза СМТ₂. Устойчивая завеса характеризуется высокими и стабильными во времени значениями напоров подземных вод в горизонте. Максимальной эффективности достигают завесы, состоящие из структурированных суспензий высокой вязкости. Их формирование регламентируется объемами подачи соляно-глинистых растворов (СГР) с добавкой флокулянта в зависимости от гидрогеологических условий и состояния горного массива.

Засыпка провальной воронки слабопроницаемыми материалами обеспечивает формирование изолирующих «пробок», перекрывающих водоносные горизонты ТКТ и СМТ₂.

В провальной воронке при ее образовании формируется объем, заполненный в разной степени раздробленными породами, переместившимися вниз по разрезу горного массива до выработок рудника и незаполненный объем до земной поверхности.

Через раздробленные породы провальной воронки происходит вскрытие водоносных горизонтов - формируется взаимосвязь между ними и переток вод в соленосную часть разреза и в горные выработки рудника. В условиях высокой приточности из наиболее водообильного горизонта ТКТ притоки рассолов в руднике могут достигать несколько тысяч м³/ч.

Опорное давление раздробленных пород и слабопроницаемых материалов засыпки приводит к их проседанию, перемещению вниз по разрезу и продавливанию в пустоты и полости соляного карста.

Изолирующие пробки формируются в условиях перемещения слабоводопроницаемых материалов вниз по разрезу по мере их выхода на интервалы залегания водовмещающих пород водоносных горизонтов.

Заявленные признаки в своей совокупности обеспечивают существенное снижение объема поступления надсолевых вод в соленосную часть разреза породного массива и в горные выработки рудника.

На Верхнекамском месторождении (ВКМС) в строении НКП участвуют породы (СМТ2 - P₁u sl₁''), терригенно-карбонатной толщи (ТКТ - P₁u sl₂) и пестроцветной толщи (ПЦТ - P₁u šš). Сверху они перекрыты четвертичными отложениями (Q). В зависимости от литологического состава и глубины залегания породы в разной степени обводнены.

В верхней и средней частях разреза в зоне активного водообмена выделяются водоносные горизонты ТКТ - в основном безнапорные с высокими емкостными и фильтрационными параметрами. Водовмещающие породы представлены трещиноватыми известняками, на участках отработки соляной залежи - сильно раздробленными. Приточность при вскрытии горизонтов на всю мощность большая и может составлять от 500 до 5000 и более м³/ч.

В нижней части разреза в зонах затрудненного и застойного режима непосредственно над залежью залегают водоносные горизонты СМТ2 - напорные с существенно меньшими емкостными и фильтрационными параметрами. Водовмещающие породы представлены трещиноватыми, в разной степени закарстованными мергелями. По мере приближения к соляной залежи возрастает количество прослоев слабообводненных и водоупорных пород (заглинизированных мергелей, глин). При вскрытии приточность с этих горизонтов гораздо ниже и может составлять - до 200-300 м³/ч.

Разрушение сплошности водозащитной толщи на всю ее мощность под влиянием субвертикальных трещин, возникающих при изгибе слоев каменной соли на участках с наибольшими значениями горизонтальных растягивающих деформаций, может привести к прорыву надсолевых вод в горные выработки рудника.

Формирование притока в рудник определяется геолого-гидрогеологическими условиями участка прорыва подземных вод, в том числе характером вскрытия водоносных горизонтов НКП, их фильтрационно-емкостными свойствами, развитием карстовых процессов и подвижек в горном массиве. На начальных этапах развития соляного карста при малых притоках в руднике срабатывается рассольный горизонт в нижней части разреза пород СМТ2, непосредственно залегающий над соляной залежью. Сработка вышезалегающих горизонтов происходит через участки разуплотнения пород. По мере развития карстовых процессов при потере устойчивости горного массива образуются провальные воронки, через водовмещающие породы которых в рудник поступают воды практически из всех водоносных горизонтов. В этот период отмечается существенный рост притока до несколько тысяч м³/ч.

Техническое решение разработано для условий полного вскрытия водоносных горизонтов на стадии образования провальных воронок.

Его сущность сводится к созданию гидродинамических условий, предотвращающих в разуплотненных зонах поступление подземных вод ТКТ к соленосным отложениям горного массива. Это условие обеспечивается откачкой водопонижающим контуром вод ТКТ, ориентированной на поддержание уровня на участке провальной воронки - существенно ниже напоров водоносного горизонта в нижней части разреза пород СМТ2, созданием устойчивой противофильтрационной завесы, способствующей росту напоров в нижней части разреза пород СМТ2, и засыпкой слабоводопроницаемыми материалами провальной воронки с формированием изолирующих «пробок», перекрывающих водоносные горизонты и снижающих объемы вертикального перетока через провальную воронку.

В таких условиях при взаимодействии водоносных горизонтов НКП на участках развития гидрогеологических окон предотвращается движение вод вниз по разрезу горного массива к соленосным отложениям. Притоки в рудник формируются за счет частичной сработки водоносных горизонтов СМТ2 и не превышают 100-200 м³/ч.

Осуществление изобретения

Способ осуществлен на аварийном участке в северо-восточной части шахтного поля СКРУ-2, где произошел прорыв надсолевых вод над отработанными пластами с образованием провальной воронки на земной поверхности.

На площади 25×54 м в коренных породах и 50×80 м на уровне земной поверхности водонасыщенные породы ТКТ и СМТ2 переместились на 90-100 м вниз по разрезу горного массива в соленосную его часть. Разрушение пород ВЗТ, НКП в провальной воронке предопределило значительный рост водопритоков в рудник - до нескольких тысяч м³/ч.

Относительно провальной воронки использовалась кольцевая система водопонижения. Скважины располагались по эллипсовидному кольцу на удалении 150-300 м от бортов провальной воронки и за пределами зон разуплотнения пород. Периметр контура - 2,0 км, расстояния между скважинами 30-45 м, глубина скважин - от 100 до 165 м, насосы установлены в ТКТ у ее подошвы.

Контур был усилен внешним полукольцом скважин вверх по потоку транзитных вод откачиваемого горизонта.

Откачкой из скважин водопонижающего контура было снижено гидростатическое давление и сформирована депрессионная воронка в водоносном горизонте терригенно-карбонатной толщи на участке провальной воронки. Уровень подземных вод был снижен на 30-36 м (степень осушения горизонта составила 45-47%).

Одновременно с откачкой проводились работы по засыпке до уровня земной поверхности и дозасыпке провальной воронки (по мере ее проседания). Засыпка осуществлялась слабопроницаемыми материалами до нижней части зоны аэрации (суглинками) и в верхней части зоны аэрации песчано-гравийной смесью.

Кроме того, проводились работы по формированию горизонтально ориентированной противофильтрационной завесы для снижения фильтрационных свойств породного массива. Через скважины ГНБ в карстовые пустоты и полости пород СМТ2, подавались тампонажные материалы. Высокую эффективность (существенный подъем уровня в водоносном горизонте СМТ2) показала завеса, состоящая из структурированных суспензий высокой вязкости, сформированная при подаче СГР с флокулянтом. Ее образование определялось созданием подпора на путях миграции вод в соленосной части разреза породного массива объемами подачи тампонажных растворов.

При заданной степени осушения горизонта напоры подземных вод СМТ2 на протяжении длительных периодов времени в условиях устойчивой тампонажной завесы и пробки в провальной воронке превышал уровень вод ТКТ на 10-15 м. Притоки формировались только за счет частичной сработки водоносного горизонта СМТ2 и не превышали 100-200 м³/ч. При этом достигалось многократное снижение притока в рудник (относительно притока, наблюдаемого в начальный период прорыва надсолевых вод и в периоды размыва тампонажной завесы).

Изобретение относится к способу предотвращения затопления калийных рудников. Техническим результатом является обеспечение безопасного ведения горных работ, снижение объема поступления надсолевых вод в соленосную часть разреза породного массива и притоков рассолов в горные выработки рудника. Способ предотвращения затопления калийных рудников включает создание кольцевого водопонижающего контура из вертикальных откачивающих скважин. Скважины размещают за границей зон разуплотнения пород вокруг провальной воронки с обеспечением снижения гидростатического давления и формирования воронки депрессии в водоносном горизонте терригенно-карбонатной толщи на участке провальной воронки. Противофильтрационную завесу создают внутри водопонижающего контура в нижних горизонтах по напластованию пород соляно-мергельной толщи и в соленосной толще на участках разуплотнения пород, прилегающих к провальной воронке. Провальную воронку заполняют слабопроницаемыми материалами с перекрытием водоносных горизонтов. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ предотвращения затопления калийных рудников, включающий создание кольцевого водопонижающего контура из вертикальных откачивающих скважин вокруг провальной воронки, формирование внутри водопонижающего контура противофильтрационной завесы в горном массиве путем нагнетания тампонажного раствора через пробуренные тампонажные скважины и засыпку провальной воронки, отличающийся тем, что контур водопонижающих скважин размещают за границей зон разуплотнения пород с расположением скважин контура и осуществлением режима откачки вод, обеспечивающим снижение гидростатического давления и формирование воронки депрессии в водоносном горизонте терригенно-карбонатной толщи на участке провальной воронки, противофильтрационную завесу создают в нижних горизонтах по напластованию пород соляно-мергельной толщи и в соленосной толще на участках разуплотнения пород, прилегающих к провальной воронке, а провальную воронку заполняют слабопроницаемыми материалами с перекрытием водоносных горизонтов.

2. Способ предотвращения затопления калийных рудников по п. 1, отличающийся тем, что создают усиление контура внешним полукольцом скважин вверх по потоку транзитных вод откачиваемого горизонта.