Способ защиты кимберлитовых карьеров от подземных вод

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51) 4 F. 21 D 11/38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4192454/23-03 (22) 10,02.87 (46) 23.08.89. Бюл. )1.. 31 (71) Специализированное производственное геологическое объединение по тампонажным и геологоразведочным работам нСпецтампонажгеология" (72) Э,Я.Кипко, Ю.А.Полозов, Ю.H.Спичак, Г.С.Левчинский, В.В.Рудаков, А.А.Пшеничный, Л.А.Сафонов, В.М.Зуев, Л.А.Кафорин, Ю.И.Свирский и И.Б.Хлынов (53) 622.284.9 (088.8) (56) Абрамов С.К, и др. Защита карьеров от воды. — М.: Недра, 1976, с. 168.

Авторское свидетельство ГССР

N - 1187538, кл. Е 21 D 11/38, 1985, (54) СПОСОБ ЗАШИТЫ КИМБЕРЛИТОВЫХ

КАРЬЕРОВ ОТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (57) Изобретение относится к горному делу и м ° 6, испольэовано при разИзобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке открытым способом кимберлитовых месторождений 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

2 работке 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 т орновскрышные работы и осуществляют устр-во бермы. С бермы бурят скважины первой очереди и нагнетают в них заходами тампонажный раствор (ТР) для формирования изоляционной завесы, которое ведут одновременно с горновскрышными работами. Затем осуществляют устр-во дополнительной бермы и с нее бурят скважины второй очереди.

Нагнетание TP 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. завесы до реконструкции карьера) на фиг.2 — схема сооружения второй очереди изоляционной завесы после реконструкции карьера; ва фиг.3 — схема тампонажа водоносного горизонта смещенными заходками тампонирования, на фиг.4 — схема распространения тампонажного раствора иэ скважин первой очереди.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 — рудное тело; 2 — водоносный горизонт, 3

Выполнив р асче т s cex параметров 55 формирования изоляционной завесы, осущес твляют на гне тани е э аходами тампонажного раствора в скважине первой очереди 7. Формирование иэоляци3 1502841 изоляционная завеса; 4 — контур отработки карьера до реконструкции;

5 — контур карьера после реконструкции, 6 — берма, с которой сооружается первая очередь изоляционной завесы; 7 — тампонажные скважины первой очереди, 8 — берма для сооружения второй очереди изоляционной завесы; 9 — тампонажные скважины 10 второй очереди; 10-13 — интервалы тампонирования водоносного горизонта в скважинах первой очереди; 14 — 18 интервалы тампонирования водоносного горизонта в скважинах второй очереди; 15

19 — контур распространения тампонажного раствора иэ отдельной скважины; 20 — максимальный контур распространения тампонажного раствора из отдельной скважины. 20

Порядок осуществления способа следующий.

С бермы 6 карьера бурят скважины

7 первой очереди, вскрывающие водоносный горизонт 2 на полную мощ— ность. При сооружении первой очереди скважины бурятся по разреженной схеме, например каждая вторая скважина.

В процессе бурения в скважинах выполняется комплекс геофизических и гидродинамических исследований известными методами. По результатам иссле— дований в скважинах определяются местоположение водоносного горизонта, его мощность, параметры трещинова- 35 тости, фильтрационные характеристики. На основании полученных результатов осуществляется расчет параметров и формирование вокруг рудного тела изоляционной завесы (давление нагне- 40 тания, объем тампонажного раствора и радиусы его распространения из отдельной скважины), Расчет толщины изоляционной завесы 3 и параметров ее формирования осуществляется, нап- 45 ример, по методике комплексного метода тампонажа, При"этом расчет параметров формирования первой очереди изоляционной завесы осуществляется таким образом, чтобы первая оче- 50 редь об спечивала безопасную отработку карьера до реконструкции, в зоне водоносного горизонта. онной завесы ведут одновременно с горновскрышными работами. Тампонах проницаемьгх 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 эавесы приступают к бурению скважин.

Бурение скважин для сооружения второй очереди изоляционной завесы осуществляют между ранее пробуренными и эатампонированными 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 выполняется полный комплекс геофизических и гидродинамических исследований. По результатам этих исследований определяются фильтрационные характеристики частично

I эатампонированного водоносного горизонта, а также трещинная пустотн ость °

На основании полученных значений проницаемости и трещинной rIycToTHocти 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 значительной мощности водоносного горизонта и равномерной его проницаемости по глубине, интервалы тампо15 нирования смещают на 1/2 длины заходки тампонирования по сравнению с первой очередью. Смещение интервалов тампонирования 14-18 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 для расчета параметров формирования изоляционной завесы: коэффициент проницаемости 2,64 10 2 м ; трещинная пустотность 0,7Х; среднее раскрытие трещин 1, 16 10 м; максимальное раскрытие трещин 0,2 м, напор подземных вод 3,9 MI1a; 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, 20 (2) где г 2 и r« — радиусы распространения тампонажного раствора в направлении основной и второстепенной систем трещиноватости; — перепад давления при течении тампонажного

30 раствора в трещине

Eо — динамическое напряжение сдвига тампонажного раствора; 22 среднее раскрытие трещин основной системы трещиноватости, Я вЂ” коэффициент трещинной анизотропии.

Данным расчетом определяются радиусы распространения тампонажного раствора по трещинам, соответствующим среднему раскрытию системы трещиноватости 82 . При этом необходимо учитывать, что часть трещин горного массива имеет раскрытие трещин более, чем S2 . В этой связи необходимо определить распространение раствора из отдельной скважины по трещинам, имеющим большее, чем S раскрытие.

Радиусы максимального распространения определяем из выражений

35 йР8 .

r ) М2

r„, = r„ f т (4) где о — трещина максимального раскрытия, встреченная скважиной в процессе бурения.

02841

6 имеющий следующие характеристики: допустимая пластическая прочность

0,075 ИПа, 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 иэ выражений: о22 ЬР

Г (1)

22. 2л 1 о

1502841

15

25

30 (5) V = ° г„г Гйп

40

Расчетные размеры контуров распространения тампонажного раствора из отдельной скважины 19 (фиг.4) составят r = 22 м, г<, = 11 м.

Расчетные максимальные радиусы распространения тампонажного раствора г = 32м, гр, = 16 м °

Таким образом (фиг.4) в дальнейшем скважины второй очереди 9 попадают в зону влияния тампонажа, соэданую скважинами первой очереди 7, так как контуры максимального распространения раствора 20 (фиг.4) из скважины первой очереди достигают местоположения скважин второй очереди. Следовательно, основные водопроводящие каналы будут затампонированы при сооружении первой очереди изоляционной завесы, что позволяет снизить нодоприток в карт,ер 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 где М вЂ” мощность проницаемого интервала, ш — трещин ная пус тотнос ть.

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 водоиэоляции весь водоносный 45 горизонт подразделяется на четыре интервала 10-13 тампонирования (фиг.3) мощностью по 50 м каждый.

Тогда объем тампонажного раствора, нагнета,мый в каждый интервал rtpH 50 сооружении первой очереди изоляционной завесы, составляет 265 м .

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

Сооружение первой очереди изоляционной завесы осуществляется 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 имеющую более низкую отметку. Например, если первая очередь изоляционной завесы сооружалась с отметки +210 м, то вторая очередь ооружается с отметки +110 м.

Продолжая реконструкцию карьера ниже отметки +110 м, осуществляют бурение скважин второй очереди с новой берию на отметке +110 м, глубина которых теперь составит

250 м.

Скважины второй очереди распола аются между скважинами первой очереди на раином 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 гилродинамических исследований с целью определения фильтрационных характеристик частично затампонированного массива.

Выполнив исследования в скважинах второй очереди, осуществляют инженерный расчет параметров формирования второй очереди изоляпионной 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 выражением

r 2, Р (6), О юг ьФ где кк — среднее раскрытие трещин основной системы трещиноватости, определяемое по результатам исследований в скважинах второй очереди.

Среднее раскрытие трещин основной системы трещиноватости при сооруже1502841

1О нии первой очереди изоляционной завесы составляло о = 1, 16 ° 10 м.

При пр и в еде н ии гидр один амич ес ких исследований в скважинах второй

5 очереди установлено, что в частично затампонирс ванном массиве среднее раскрытие трещин теперь составит

1;z 0,5 10

Тогда давление нагнетания тампо- 10 нажного раствора для достижения необходимых радиусов распространения тампонажного раствора в скважинах второй очереди необходимо увеличить в 2,3 раза по сравнению с первой 15 очередью.

При сооружении первой очереди изоляционной завесы для достижения ра диусов распространения тампонажного раствора иэ отдельной скважины (r = 22 м, г<, = 11 и) требовалось создать давление 6,0 МПа, при сооружении второй очереди для достижения тех же радиусов необходимо создать давление нагнетания равное

13,8 МПа, Объем тампонажного pacòâîðà для нагнетания в скважины второй очереди также определяется с учетом результатов первой очереди. Исследова- 30 ния в скважинах второй очереди показали, что трещинная пустотность частично затампонированного массива составляег 0,341.

Тогда объем тампонажного раствора для тампонировання проницаемых интервалов в скважинах второй очереди определяется иэ выражения

V =яг, ° г М„„" > (7)

+ где III — трещинная пустотность, определяемая по результатам исследований в скважинах второй очереди. 45

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

Для предотвращения возможного возникновения зон повышенной проницаемости в теле изоляционной завесы производится смещение интервалон тампонирования на 1/2 длины по сравнению с первой очередью. Тогда при сооружении второй очереди изоляционной завесы нагнетание тампонзжного раствора осуществляется в пять проницаемых интервалов 14, 15, 16, 17, 18 (фиг.З), мощность которых соответственноо 25, 50, 50, 50 и 25 м.

Объем нагнетания тампонажного раствора в.,каждый проницаемый интервал составляет соответственно 65, 128, 128, 128 и 64 м .

Таким образом, объем нагнетания тампонажного раствора в отдельную скважину второй очереди составляет

516 м против 1063 и в скважинах первой очереди.

После сооружения второй очереди изоляционной завесы и окончания ре— конструкции карьера осуществляют дальнейшую отработку месторождения. ф о р м у л а и з о б р е т е и и я

Способ защиты кимберлитовых карьеров от подземных вод, включающий проведение горновскрышных 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 формирования 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 производят бурение скважин второй очереди, а нагнетание тампонажного раствора в скважины второй очереди осуществляют со смещением на 1/2 длины эаходки.

1502841 фиг. 2

1502841

20 20 г а г / 6

1Я

/ l

l г г

Редактор В.Бугренкова

Подписное

Тирам 449

Заказ 5065/46

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, М-35, Раумская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Умгород, ул. Гагарина, 101

/

1

i/

)1

IJ

)1

Составитель Л.Березкина

Техред М.Дидык Корр ек т ор Т . Малец