Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке водорастворимых полезных ископаемых, например, калийной соли. Способ включает выемку полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород с предварительным, перед выемкой полезных ископаемых, созданием в толще водонепроницаемых горных пород водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана в виде полостей, заполненных вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом с плотностью не ниже плотности растворов, стремящихся проникнуть в полости экрана из вышележащих обводненных горных пород. Указанный экран создают соосно с выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважиной, пробуренной с земной поверхности, в виде горизонтальной полости и соединенной с ней вертикальной полости, заполненных трещиноизолирующим веществом. Горизонтальную полость располагают ниже верхней границы водонепроницаемых горных пород, на расстоянии (Н) от границы, равном или превышающем допустимую мощность водонепроницаемых горных пород, в которых при подработке не должны возникать трещины разрыва, причем ее радиус определяют из математического выражения. Вертикальную полость образуют вдоль скважины, на участке от горизонтальной полости до, по меньшей мере, верхней границы толщи водонепроницаемых горных пород; с поперечными размерами, совпадающими с величиной диаметра скважины или превышающими ее. К созданию водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана приступают после проведения ликвидационного тампонажа выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважины, в пределах толщи водонепроницаемых горных пород, вниз от нижнего уровня горизонтальной полости экрана. В процессе эксплуатации водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана производят контроль полноты заполнения его полостей трещиноизолирующим веществом и, в случае необходимости, их дозаполненение этим веществом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых.

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых (А.Н.Андреичев. Разработка калийных месторождений. - М.: Недра. 1966, с.23, 24, 229-244), включающий выемку водорастворимых полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород.

Недостатком способа является низкая гарантия от катастрофического проникновения вод в горные выработки, а также низкое извлечение полезных ископаемых из недр (см. В.А.Старцев. Катастрофы на месте Древнего Пермского моря. - ж. Безопасность труда в промышленности. 1995. №12. С.28-32).

Известен способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых (патент РФ №2164601, кл. Е 21 С 41/20, опубл. 2001 г., принят за прототип), направленный на повышение безопасности и эффективности ведения горных работ. Способ предусматривает создание в толще водонепроницаемых горных пород, перед началом выемки полезных ископаемых, водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана, исключающего связь техногенных магистральных трещин с вышележащими водоносными горизонтами.

Как показывает многолетний опыт разработки водорастворимых полезных ископаемых шахтным способом, одним из путей проникновения вод и рассолов в выработанное пространство являются геологоразведочные и технологические скважины, пробуренные с земной поверхности. Вокруг скважины на всю мощность толщи водонепроницаемых горных пород и залежи полезных ископаемых оставляют предохранительные целики диаметром до 200 и более метров.

Таким образом, указанный способ разработки не позволяет извлекать запасы полезных ископаемых, оставляемых в предохранительных целиках вокруг геологоразведочных и технологических скважин. Учитывая, что в последнее время решается вопрос о бурении технологических скважин для добычи нефти (под толщей водорастворимых минеральных солей обнаружены залежи нефти), с оставлением еще более мощных целиков, проблема охраны подземных горных выработок от затопления и повышения извлечения полезных ископаемых из недр приобретает актуальность и стратегическую направленность.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по повышению безопасности и эффективности ведения горных работ при наличии на шахтном поле выведенных из эксплуатации геологоразведочных и/или технологических скважин, пробуренных с поверхности и нарушающих сплошность толщи водонепроницаемых горных пород.

Решение данной задачи опосредовано новым техническим результатом, заключающимся в создании, перед выемкой полезных ископаемых, в толще водонепроницаемых горных пород в створе выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважины эксклюзивного водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана, исключающего связь техногенных магистральных трещин с вышележащими водоносными горизонтами.

Существенные признаки заявленного технического решения:

ограничительные - выемку полезных ископаемых ведут под защитой толщи водонепроницаемых горных пород с предварительным, перед выемкой полезных ископаемых, созданием в толще водонепроницаемых горных пород водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана в виде полостей, заполненных вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом с плотностью, не ниже плотности растворов, стремящихся проникнуть в полости экрана из вышележащих обводненных горных пород;

отличительные - водонепроницаемый и трещинопоглощающий экран создают соосно с выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважиной, пробуренной с земной поверхности, в виде горизонтальной полости и соединенной с ней вертикальной полости, заполненных трещиноизолирующим веществом, горизонтальную полость располагают ниже верхней границы водонепроницаемых горных пород, на расстоянии (Н) от границы, равном или превышающем допустимую мощность водонепроницаемых горных пород, в которых при подработке не должны возникать трещины разрыва, ее радиус (R) определяют из выражения

где κ_з - коэффициент запаса;

β - величина граничного угла мульды сдвижений, образующейся при подработке земной поверхности, град, а вертикальную полость образуют вдоль скважины, на участке от горизонтальной полости до, по меньшей мере, верхней границы толщи водонепроницаемых горных пород, с поперечными размерами, совпадающими с величиной диаметра скважины или превышающими ее, к созданию водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана приступают после проведения ликвидационного тампонажа выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважины, в пределах толщи водонепроницаемых горных пород, вниз от нижнего уровня горизонтальной полости экрана; в процессе эксплуатации водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана производят контроль полноты заполнения его полостей трещиноизолирующим веществом и, в случае необходимости, их дозаполнение этим веществом.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и ожидаемым техническим результатом заключается в следующем.

Одним из путей проникновения воды и рассолов в выработанное пространство шахт, разрабатывающих водорастворимые полезные ископаемые, являются геологоразведочные и технологические скважины, пробуренные с земной поверхности. Все эти скважины подлежат ликвидационному тампонажу для восстановления водонепроницаемости толщи водонепроницаемых горных пород. Тампонажные материалы выбирают в соответствии с геологическими и гидрогеологическими условиями месторождений.

При этом возможны случаи, когда по организационным или другим причинам скважина оказывается незатампонированной или тампонаж выполнен некачественно, отсутствуют данные о тампонаже. Во всех указанных случаях вокруг скважины по всей водонепроницаемой толще и разрабатываемым пластам оставляются предохранительные целики диаметром до 200 и более метров. При приближении горных работ к предохранительному целику должны выполняться специальные меры охраны, в частности создание зон смягчения, в том числе за счет уменьшения извлечения полезных ископаемых из недр.

Подработка даже качественно затампонированных скважин не гарантирует их герметичность вследствие разрушения магистральными трещинами, образующимися в краевых частях динамической мульды сдвижений, тампонажного цементного камня.

Поэтому создание водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана соосно с выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважиной, пробуренной с земной поверхности, впервые позволяет отказаться от оставления предохранительных целиков вокруг скважин.

Местоположение и параметры полостей, заполненных трещиноизолирующим веществом, выбраны таким образом, чтобы не допустить выхода магистральных трещин, образующихся при деформировании толщи водонепроницаемых горных пород, на участки скважины, находящиеся в пределах толщи водонепроницаемых горных пород выше трещинопоглощающего экрана.

На чертеже показана схема отработки заводненного месторождения водорастворимых полезных ископаемых.

Способ разработки заводненных месторождений водорастоворимых полезных ископаемых осуществляется следующим образом.

Выемку водорастворимых полезных ископаемых 1 ведут под защитой толщи 2 водонепроницаемых горных пород.

Перед отработкой запасов полезных ископаемых 3, вскрытых геологоразведочной скважиной 4, над будущим выработанным пространством создают водонепроницаемый и трещиноулавливающий экран в виде горизонтальной полости 5 и соединенной с ней вертикальной полости 6, заполненных вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом 7 с плотностью, не ниже плотности растворов, стремящихся проникнуть в полости 5, 6 экрана из вышележащих обводненных горных пород 8.

Водонепроницаемый и трещинопоглощающий экран создают соосно с выведенной из эксплуатации геологоразведочной скважиной 4. Горизонтальную полость 5 располагают ниже верхней границы толщи 2 водонепроницаемых горных пород, на расстоянии (Н) от границы, равном или превышающем допустимую мощность водонепроницаемых горных пород, в которых при подработке не должны возникать трещины разрыва, ее радиус (R) определяют из выражения

где κ_з - коэффициент запаса;

β - величина граничного угла мульды сдвижений, образующейся при подработке земной поверхности, град.

Вертикальную плоскость 6 образуют вдоль скважины 4, на участке от горизонтальной полости 5 до, по меньшей мере, верхней границы толщи 2 водонепроницаемых горных пород; с поперечными размерами, совпадающими с величиной диаметра скважины 4 или превышающими ее.

К созданию водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана приступают после проведения ликвидационного тампонажа выведенной из эксплуатации геологоразведочной скважины 4, в пределах толщи 2 водонепроницаемых горных пород, вниз от нижнего уровня горизонтальной полости 5 экрана.

В процессе эксплуатации водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана производят контроль полноты заполнения его полостей 5, 6 трещиноизолирующим веществом 7 и, в случае необходимости, их дозаполнение этим веществом.

Пример конкретного выполнения

В условиях разработки Верхнекамского месторождения водорастворимых калийных и калийномагниевых солей ликвидационный тампонаж выведенной из эксплуатации геологоразведочной скважины диаметром 93 мм, (поз.4) выполнен раствором каустического магнезита (Пермяков Р.С. Технология добычи солей. М.: Недра. 1981, с.40).

Горизонтальная (поз.5) и вертикальная (поз.6) полости водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана выполнены с использованием метода подземного растворения солей через устье скважины (поз.4) (см. Пермяков Р.С. и др. С.164-167).

Радиус горизонтальной полости (поз.5), при Н=10 м; β=50°; κ_з=1,07, составляет 9 м.

Максимальная высота (h) полости (поз.5) определяется по формуле

h=0,02С_н.о.R, м,

где С_н.о. - содержание нерастворимого остатка в растворяемых соляных породах, %.

при С_н.о.=7%, R=9 м,

h=1,26 м.

В качестве трещиноулавливающего вещества (поз.7) используется водонерастворимое, подвижное при температуре водонепроницаемых горных пород (поз.2) 7-8°С, вещество плотностью, превосходящей плотность (1250 кг/м³) соляных растворов, которые стремятся проникнуть в полости (поз.5, 6) экрана из вышележащих обводненных пород (поз.8).

Этим требованиям соответствуют, например, хлорпикрин (ρ_o=1651 кг/м³), метанбромтрихлор (ρ_о=2000 кг/м³) и многие другие химические вещества, в т.ч. и являющиеся отходами промышленных производств.

Применение предлагаемого изобретения позволяет впервые отказаться от предохранительных целиков, оставляемых в настоящее время вокруг выведенных из эксплуатации геологоразведочных и технологических скважин при одновременном повышении безопасности разработки в заводненных месторождениях водорастворимых полезных ископаемых.

1. Способ разработки заводненных месторождений водорастворимых полезных ископаемых, включающий выемку полезных ископаемых под защитой толщи водонепроницаемых горных пород с предварительным, перед выемкой полезных ископаемых, созданием в толще водонепроницаемых горных пород водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана в виде полостей, заполненных вязким, подвижным при температуре применения, неагрессивным к водонепроницаемым горным породам трещиноизолирующим веществом с плотностью не ниже плотности растворов, стремящихся проникнуть в полости экрана из вышележащих обводненных горных пород, отличающийся тем, что водонепроницаемый и трещинопоглощающий экран создают соосно с выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважиной, пробуренной с земной поверхности, в виде горизонтальной полости и соединенной с ней вертикальной полости, заполненных трещиноизолирующим веществом, горизонтальную полость располагают ниже верхней границы водонепроницаемых горных пород, на расстоянии (Н) от границы, равном или превышающем допустимую мощность водонепроницаемых горных пород, в которых при подработке не должны возникать трещины разрыва, ее радиус (R) определяют из выражения

где κ_з - коэффициент запаса;

β - величина граничного угла мульды сдвижений, образующейся при подработке земной поверхности, град,

а вертикальную полость образуют вдоль скважины, на участке от горизонтальной полости до, по меньшей мере, верхней границы толщи водонепроницаемых горных пород, с поперечными размерами, совпадающими с величиной диаметра скважины или превышающими ее, к созданию водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана приступают после проведения ликвидационного тампонажа выведенной из эксплуатации геологоразведочной или технологической скважины в пределах толщи водонепроницаемых горных пород вниз от нижнего уровня горизонтальной полости экрана.

2. Способ разработки по п.1, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации водонепроницаемого и трещинопоглощающего экрана производят контроль полноты заполнения его полостей трещиноизолирующим веществом и в случае необходимости их дозаполнение этим веществом.