Способ защиты кимберлитовых карьеров от подземных вод Советский патент 1989 года по МПК E21D11/38 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке открытым способом кимберлитовых месторозадений в условиях интенсивного обводнения подземными водами.

Цель изобретения - сокращение времени формирования изоляционной завесы и снижение капитальных затрат на ее формирование.

На фиг,1 изображена схема сооружения первой очереди изоляционной

завесы до реконструкции Kapbepaj на фиг.2 - схема сооружения второй очереди изоляционной завесы после реконструкции карьера; на фиг.З - схема тампонажа водоносного горизонта смещенными заходками тампонированияJ на фиг.4 - схема распространения тампонажного раствора из скважин первой очереди.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - рудное тело; 2 - водоносный горнпонт; 3

3150

изоляционная завеса; 4 - контур отработки карьера до реконструкции; 5 - контур карьера после реконструкции; 6 - берма, с которой соору- жается первая очередь изоляционной завесы; 7 - тампонакные скважины первой очереди; 8 - берма для сооружения второй очереди изоляционной завесы; 9 - тампонажные скважины второй очереди; 10-13 - интервалы тампонирования водоносного горизонта в скважинах первой очереди; 14-18 - интервалы тампонирования водоносного горизонта в скважинах второй очереди 19 - контур распространения тампо- нажного раствора из отдельной сква- жины 20 - максимальный контур распространения тампонажного раствора из отдельной скважины.

Порядок осуществления способа следуюгщй.

С бермы 6 карьера бурят скважины

7первой очереди, вскрывающие водо- носньш горизонт 2 на полную мощность. При сооружении первой очереди скважины бурятся по разреженной схеме, например каждая вторая скважина.

8процессе бурения в скважинах выполняется комплекс геофизических и гид- родинамических исследований известными методами. По результатам исследований в скважинах определяются местоположение водоносного горизонта,

его мощность, параметры трещинова- тости, фильтрационные характеристики. На основании полученных результатов осуществляется расчет параметров и формирование вокруг рудного тела изоляционной завесы (давление нагне- танин, объем тампонажного раствора и радиусы его распространения из отдельной скважины). Расчет толщины изоляционной завесы 3 и параметров ее формирования осуществляется, нап- ример, по методике комплексного метода тампонажа. При-этом расчет параметров формирования первой очереди изоляционной завесы осуществляется таким образом, чтобы первая оче редь обеспечивала безопасную отработку карьера до реконструкции, в зоне водоносного горизонта.

Выполнив расчет всех параметров формирования изоляционной завесы, осуществляют нагнетание заходами тампонажного раствора в скважине пер вой очереди 7. Формирование изоляци5

0 5 0

5 0 5 0

5

онной завесы ведут одновременно с горновскрышными работами. Тампонаж проницаемых интервалов, имеющих различные фильтрационные характеристики, осуществляется раздельно. При практически одинаковых или очень близких по значению фильтрационных характеристиках, по значительной мощности водоносного горизонта (более 70 м) также требуется разделение водоносного горизонта на тампонируемые интервалы.

Нагнетание тампонажного раствора в каждый проницаемый интервал осуществляется до достижения расчетного давления нагнетания и объема тампонажного раствора.

После сооружения первой очереди карьер отрабатывается до проектной отметки контура 4, после достижения которой приступают к реконструкции карьера. В процессе реконструкции карьера после подготовки новой бермы для сооружения второй очереди изоляционной завесы приступают к бурению скважин.

Бурение скважин для сооружения второй очереди изоляционной завесы осуществляют между ранее пробуренными и затампонированными скважинами первой очереди. Местоположения скважин второй очереди определяют по результатам маркшейдерской съемки, проведенной в процессе сооружения первой очереди и дающей точные координаты скважин первой очереди.

В процессе бурения скважин второй очереди в них вьшолняется полный комплекс геофизических и гидродинамических исследований. По результатам зтих исследований определяются фильтрационные характеристики частично затампонированного водоносного горизонта, а также трещинная пустот- ность.

На основании полученных значений проницаемости и трещинной пустотнос- ти в скважинах второй очереди определяются параметры формирования второй очереди изоляционной завесы.

Выполнив инженерный расчет параметров формирования второй очереди приступают к нагнетанию тампонажного раствора. При этом, в случае зна- чительной мощности водоносного горизонта и равномерной его проницаемости по глубине, интервалы тампонирования смещают на 1/2 длины за- ходки тампонирования по сравнению с первой очередью. Смещение интервало тампонирования 1А-18 в скважинах 9 второй очереди (фиг.2, 3) на 1/2 длины заходки по сравнению со скважинами первой очереди 7 обеспечивает предотвращение возникновения возможных зон повышенной проницаемости.

Пример. Месторождение отрабатывается открытым способом до глубины 525 м. При этом по достижении карьером глубины 450 м предусматривается его реконструкция для обеспечения дальнейшей углубки.

С глубины 300 м отработка карьера осложнена наличием мощного водоносного горизонта, распространенного до глубины 500 м.

Наиболее эффективным способом защиты отрабатываемого кимберлитового карьера является сооружение изоляционной завесы вокруг рудного тела. Наименьшая стоимость изоляционной завесы обеспечивается при ее сооружении с берм карьера.

Определив место заложения первой очереди изоляционной завесы (берма, с которой осуществляется бурение скважин), производят бурение разведочных скважин, проведение в них геофизических и гидродинамических исследований с целью определения гидрогеологических характеристик водоносного горизонта.

Например, по результатам исследований определены следующие характеристики д-пя расчета параметров фор мирования изоляционной завесы: коэф- фи1щент проницаемости 2,6А 10 трещинная пустотность 0,7%, среднее раскрытие трещин 1,16-10 м; максимальное раскрытие трещин 0,2 Mi напор подземных вод 3,9 МПа; мощность вод водоносного горизонта 200 м.

Глубина тампонажных скважин для сооружения первой очереди изоляционной завесы составляет 350 м. Бурение скважин первой очереди осуществляется с бермы карьера, расположен- ной на глубине 150 м от поверхности, Длина изоляционной завесы составляет 1900 м. Количество тампонажных скважин 180 шт.

В качестве тампонажного материала Используется глиноцементный раствор.

5

02841

имеющий следующие характеристики: допустимая пластическая прочность 0,075 bfflaj динамическое напряжение сдвига 150 Па.

Толщина изоляционной завесы 3 (фиг.1) определяется, например, по Нормам технологического проектирования угольных шахт ВНТП 6-76 из

10 условия устойчивости тампонажного раствора в трещинах максимального раскрытия и составляет 32 м.

Размеры контуров распространения тампонажного раствора из отдельной

15 скважины определяются по той же методике из выражений:

аг

-

(1)

20

-гг I

(2)

40

где и г„ - радиусы распространения тампонажного

25раствора в направлении основной и второстепенной систем тре- гщноватости;

ЬР - перепад давления при 2Qтечении тампонажного

раствора в трещине; 6(5 - динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора; среднее раскрытие

трещин основной системы трещиноватости - коэффициент трещинной анизотропии.

Данным расчетом определяются радиусы распространения тампонажного раствора по трещинам, соответствующим среднему раскрытию системы трещи- новатости Р этом необходима учитывать, что часть трешян горного массива имеет раскрытие трещин более, чем . В этой связи необходимо определить распространение раствора из отдельной скважины по трещинам, гп имеющим большее, чем О, раскрытие. Радиусы максимального распространения определяем из вьфажений

ЛРУм .

«1

(3)

Гм, г„г , () где 0 - трещина максимального раскрытия, встреченная скважиной в процессе бурения.

Расчетные размеры контуров распространения тампонажного раствора из отдельной скважины 19 (фиг.4)

составят г

12

22 м, г,, 11 м.

Расчетные максимальные радиусы распространения тампонажного раствора Гд 32 м, Г((д 16 м.

Таким образом (фиг.4) в дальнейшем скважины второй очереди 9 попадают в зону влияния тампонажа, соэ- дануго скважинами первой очереди 7, так как контуры максимального распространения раствора 20 (фиг.4) из скважины первой очереди достигают местоположения скважин второй очереди. Следовательно, основные лодо- проводящие каналы будут затампони- рованы при сооружении первой о.череди изоляционной завесы, что позволяет снизить водоприток в карьер после сооружения первой очереди и обеспечивает отработку карьера до проектной глубины перед его реконструкцией .

Объем тампонажного раствора для изоляции одного проницаемого интервала как водоносного горизонта определяется из выражения

7. г,

-iz

ta

т )

(5)

где М - мощность проницаемого интервала

го - трещинная пустотность. - Расчетный объем V тампонажного раствора для нагнетания в одну скважину первой очереди составляет 1063 м .

Проведенные исследования показали, что водоносный горизонт, обводняющий кимберлитовое месторождение, имеет практически равные фильтрационные характеристики. С целью надежной водоизоляции весь водоносный горизонт подразделяется на четыре интервала 10-13 тампонирования (фиг.З) мощностью по 50 м каждый. Тогда объем тампонажного раствора, нагнетаемый в каждый интервал при сооружении первой очереди изоляционной завесы, составляет 265 м .

Проведенные расчеты показали, что сооружение первой очереди изоляционной завесы позволяет снизить водоприток н карьер на глубине 450 м с 1000 до 200 м /ч, что обеспечивает его безопасную отработку.

Соор -жение первой очереди изоляционной завесы осущестйляется параллельно с отработкой карьера. Окончив

сооружение первой очереди изоляционной завесы и доработав карьер до первой проектной отметки, приступают к его реконструкции.

В процессе реконструкции подготавливают новую берму, имеющую такие же координаты, как и берма, с которой сооружалась первая очередь изоляционной завесы, но имеющ то более низкую отметку. Напри -iep, если первая очередь изоляционной завесы сооружалась с отметки +210 м, то вторая очередь сооружается с отметки +110 м.

Продолжая реконструкцию карьера ниже отметки +110 м, осуществляют

бурение скважин второй очереди с новой бермы на отметке +110 м, глубина которых теперь составит 250 м.

Скважины второй очереди распола- лются между скважинами первой очереди на равном расстоянии от них. Например, если между скважинами первой очереди расстояние было 30 м, то скважины второй очереди располагают на расстоянии 15 м от скважин первой очереди. В процессе бурения скважин второй очереди производят комплекс геофизических и гидродинамических исследований с целью определения фильтрационных характеристик частично затампонированного массива.

Вьшолнив исследования в скважинах второй очереди, ос тцествляют инженер- ный расчет параметров формирования второй очереди изолягшонной завесы.

Расчет параметров формирования второй очереди изоляционной завесы осуществляется с учетом результатов сооружения первой очереди.

Например, давление нагнетания тампонажного раствора для достижения радиусов распространения г - 22 м, г 11 м определяется вьфажением

1

UP

s

t

(6),

22

где среднее раскрытие трещин

основной системы трещино- ватости, определяемое по

результатам исследований в скважинах второй очереди. Среднее раскрытие трещин основной системы трещиноватости при сооружеНИИ первой очереди изоляционной завесы составляло S 1,16«10 м.

При проведении гидродинамических исследований в скважинах второй очереди установлено, что в частично затампонированном массиве среднее раскрытие тррпшн теперь составит 0,5-10- м.

Тогда давление нагнетания тампо- нажного раствора для достижения необходимых радиусов распространения тампонажного раствора в скважинах второй очереди необходимо увеличить 3 2,3 раза по сравнению с первой очередью.

При сооружении первой очереди изляционной завесы для достижения ра- диусов распространения тампонажного раствора из отдельной скважины (г 22 м, г,1 11 м) требовалось создать давление 6,0 МПа, при сооружении второй очереди для достижения тех же радиусов необходим создать давление нагнетания равное 13,8 МПа.

Объем тампонажного раствора для нагнетания в скважины второй очереди также определяется с учетом результатов первой очереди. Исследования в скважинах второй очереди показали, что трещинная пустотность частично затампонированного массива составляет 0,34%.

Тогда объем тампонажного раствора для тампонирования проницаемых интервалов в скважинах второй очереди определяется из вьфаже.ния

7г.

гг

М

т.. J

(7)

где га - трещинная пустотность,

определяемая по результатам исследований в скважинах второй очереди.

Общий объем V тампонажного раствора для нагнетания в отдельную скважину второй очереди составит 516 м .

о

5028Д1 10

Лля предотврап1ения возможного возникновения зон повышенной проницаемости в теле изоляционной завесы

. с производится смещение инт рвалов

тампонирования на 1/2 длины по сравнению с первой очередью. Тогда при сооружении второй очереди изоляционной завесы нагнетание тампонгшного

10 раствора осуществляется в пять проницаемых интервалов 1А, 15, 16, 17, 18 (фиг.З), мощность которых соответственно 25, 50, 50, 50 и 25 м. Объем нагнетания тампонажного раство15 ра В-,каждый проницаемый интервал составляет соответственно 65, 128, 128, 128 и 64 м .

Таким образом, объем нагнетания тампонажного раствора в отдельную

20 скважину второй очереди составляет 516 м против 1063 м в скважинах первой очереди.

После сооружения второй очереди изоляционной завесы и окончания реконструкции карьера ос тпествляют дальнейшую отработку месторождения.

Формула изобретения

25

Способ заршты кимберлитовых карьеров от подземных вод, включающий проведение горновскрьтшых работ, устройство бермы, бурение скважин очередями и нагнетание в них заходками тампонажного раствора для формирования вокруг рудного тела изоляционной завесы, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени фор- мирова 1ия завесы и снижения капитальных затрат на ее формирование, формирование изоляционной завесы ведут одновременно с горновскрышными работами, при этом производят устройство дополнительной бермы и с нее произво

дят бурение скважин второй очереди, а нагнетание тампонажного раствора в скважины второй очереди осуществляют со смещением на 1/2 длины заходки.

W ff/ ////// /f/ /i/ff, /

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке открытым способом кимберлитовых месторождений в условиях интенсивного обводнения подземными водами. Цель - сокращение времени формирования изоляционной завесы и снижение капитальных затрат на ее формирование. Для этого проводят горно-вскрышные работы и осуществляют устройство бермы. С бермы бурят скважины первой очереди и нагнетают в них заходами тампонажный раствор /ТР/ для формирования изоляционной завесы, которые ведут одновременно с горно-вскрышными работами. Затем осуществляют устройство дополнительной бермы и с нее бурят скважины второй очереди. Нагнетание ТР в скважины второй очереди происходит со смещением на 1/2 длины заходки. После сооружения второй очереди изоляционной завесы и окончания реконструкции карьера осуществляют дальнейшую обработку месторождения. 4 ил.

Фие.5

го

/

Редактор В.Бугренкова

Составитель Л.Березкина

Техред М.Дидык Корректор Т.Малец

Заказ 5065/46

Тираж 449

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113U35, Москва, К-35, Раушская наб., д. 4/5

/

Подписное