Способ предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности при прорывах в рудники подземных вод

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке месторождений калийных солей. Способ включает оставление между камерами 7-13, пройденными при отработке пласта калийной соли 1, целиков полезного ископаемого 14 и заполнение камер закладочным материалом. От земной поверхности 5 до камер пробуривают скважины 6, обсаживают их трубами. По скважинам 6 в камеры подают нерастворяемые в воде закладочные материалы до заполнения камер в месте подачи закладочных материалов на всю высоту камеры. При этом первыми закладывают камеры 7, расположенные в непосредственной близости от зоны прорыва 4 подземных вод со стороны восстания пласта 1 калийной соли, после чего производят закладку камер 8-10, расположенных под зоной прорыва 4 подземных вод. По скважинам 6 в камеры 7-13 подаются не растворяемые в воде твердеющие закладочные материалы. При закладке пройденных по простиранию пласта камер большой длины расстояние между скважинами определяют по расчетному выражению. Изобретение позволяет предотвратить затопление калийного рудника и опасные деформации земной поверхности при разломах водозащитной толщи и прорывах в рудник подземных вод через водопроводящие трещины, образующиеся в водозащитных толщах в местах геологических нарушений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке месторождений калийных солей.

Известен способ предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности при прорывах подземных вод в калийные рудники (Способ предотвращения затопления калийных рудников. Патент РФ №2133342 по заявке №97113888/03 от 13.08.1997. Авторы: Папулов Л.М., Николаев А.С., Белкин В.В.), включающий бурение с поверхности скважин до верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками. В пробуренных скважинах определяют уровень рассола. В одну из скважин, находящуюся выше по потоку рассола, закачивают тампонажный раствор. Из другой скважины откачивают рассол. Закачку тампонажного раствора и откачку рассола ведут непрерывно с постоянными дебитами, при этом дебит откачки превышает дебит закачки в 3-4 раза. Недостатком данного способа является низкая надежность предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности, что связано: с трудностью определения местоположения верхнего контакта водопроводящего канала между водоносным горизонтом и горными выработками; невозможностью полного предотвращения поступления воды в подземные горные выработки и разрушения охранных целиков в результате растворения находящихся в них солей.

Известны способы предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности при прорывах подземных вод в калийные рудники (Способ разработки пологих калийных пластов выемочными блоками. Патент №2060389 по заявке 5033860/03 от 10.02.1992. Авторы: Папулов Л.М., Парфенов В.Б., Горковенко В.Н., Артемов В.Г., Полянина Г.Д., Челпанова Е.В.; W. Entwicklungstendenzen im Untertagebereich des West-Deuschen Kalibergbaus. Kali und Steinsalze., 1975, Vol.6, №3. S. 375-382). Данные способы включают отработку пластов калийной соли камерами с оставлением между камерами столбчатых, а на границах отрабатываемых блоков - барьерных целиков полезного ископаемого. Недостатком данных способов является их низкая надежность при отработке калийных пластов на участках шахтных полей, осложненных геологическими нарушениями.

Известен способ, принятый в качестве прототипа, предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности при прорывах подземных вод в калийные рудники (Патент РФ №95118809 по заявке №95118809/03 от 31.10.1995. Авторы: Шаманский Г.П., Мараков В.Е., Нестеров М.П., Воронцов В.И., Аникин Н.Ф., Сивков B.C.), включающий отработку пластов калийной соли камерами с оставлением между камерами целиков полезного ископаемого и последующую закладку камер твердыми соляными отходами (галит и каменная соль), получаемыми при проходке и ремонте горных выработок.

Недостатком данного способа является низкая надежность предотвращения затопления рудника и опасных деформаций земной поверхности при прорывах подземных вод (рассолов) из водоносных горизонтов в подземные горные выработки, пройденные по пласту калийной соли, через водопроводящие трещины, образующиеся в водозащитных толщах в местах геологических нарушений.

Это связано с тем, что вода (рассолы), поступающая из водоносных горизонтов в камеры, приводит к разрушению междукамерных целиков и закладочного массива, состоящих из растворяемых в воде соляных пород. Следствием этого являются обрушения пород покрывающей толщи и опасные деформации земной поверхности (опускание в мульдах сдвижения, возникновение трещин, образование воронок и провалов, разрушение наземных сооружений). Так, при затоплении рудника Финенбург (Германия) на земной поверхности образовалась воронка глубиной более 30 м и диаметром около 100 м. На Верхнекамском месторождении калийных солей над затопленным в 1986 г. рудником БКПРУ-3 образовался обширный и глубокий провал глубиной, исчисляемой десятками метров.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого способа, является устранение недостатка известного способа-прототипа, а именно предотвращение затопления калийного рудника и опасных деформаций земной поверхности при разломах водозащитной толщи и прорывах в рудник подземных вод через водопроводящие трещины, образующиеся в водозащитных толщах в местах геологических нарушений.

Технический результат достигается тем, что заявляемый способ предотвращения затопления рудника и опасных деформаций земной поверхности при прорывах подземных вод в калийные рудники включает оставление между камерами, пройденными при отработке пласта калийной соли, целиков полезного ископаемого и заполнение камер закладочным материалом.

Согласно изобретению от земной поверхности до камер пробуривают скважины, скважины обсаживают трубами, по скважинам в камеры подают нерастворяемые в воде закладочные материалы до заполнения камер в месте подачи закладочных материалов на всю высоту камеры, при этом первыми закладывают камеры, расположенные в непосредственной близости от зоны прорыва подземных вод со стороны восстания пласта калийной соли, после чего производят закладку камер, расположенных под зоной прорыва подземных вод.

Для повышения эффективности заявляемого способа по скважинам в камеры подают нерастворяемые в воде твердеющие закладочные материалы.

При закладке пройденных по простиранию пласта камер большой длины расстояние между скважинами определяют из выражения

S≤2ε_пр·ctgϕ,

где: S - расстояние между скважинами,

ε_пр - максимально допустимые опускания пород водозащитной толщи, расположенной над закладочным массивом, при превышении которых происходит разрушение водозащитной толщи с образованием в ней водопроводящих трещин,

ϕ- угол растекания закладочного материала в горной выработке.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 приведена принципиальная схема (вертикальный разрез) размещения камер, междукамерных целиков и скважин для подачи закладочных материалов в камеры.

На фиг.2 приведена принципиальная схема (вертикальный разрез) взаимного расположения скважин при подаче закладочных материалов в камеру большой длины, пройденную по простиранию пласта.

На фиг.1 и фиг.2:

1 - пласт калийной соли; 2 - нижняя граница выработанного пространства; 3 - верхняя граница выработанного пространства; 4 - зона прорыва подземных вод (водопроводящие трещины в водозащитной толще); 5 - земная поверхность; 6 - скважина для подачи закладочных материалов; 7-13 - камеры (камера 7 заполнена нерастворимым в воде закладочным материалом); 14 - междукамерные целики; а - ширина камеры; b - отработанная часть шахтного поля, расположенная со стороны падения пласта калийной соли от зоны прорыва подземных вод; с - отработанная часть шахтного поля, расположенная со стороны восстания пласта калийной соли от зоны прорыва подземных вод; α - угол падения пласта калийной соли; h₁ - мощность пород водозащитной толщи; h₂ - мощность пород водоносного горизонта.

Способ осуществляют следующим образом.

Между камерами 7-13, пройденными при отработке пласта калийной соли, оставляют целики полезного ископаемого 14. От земной поверхности 5 до камер пробуривают скважины 6, которые обсаживают трубами (например, металлическими). По скважинам в камеры подают нерастворяемые в воде закладочные материалы (например, песок, шлаки и др.) до заполнения камер в месте подачи закладочного материала (сопряжение камеры и скважины, точки А и В) на всю их высоту. При этом первыми закладывают камеры 7 (фиг.1), расположенные в непосредственной близости от зоны прорыва 4 подземных вод со стороны восстания пласта калийной соли. После заполнения закладочным материалом камер 7 производят закладку камер 8, расположенных непосредственно под зоной прорыва 4 подземных вод.

Для повышения эффективности заявляемого способа по скважинам в камеры подают нерастворяемые в воде твердеющие закладочные материалы (например, песчано-цементные смеси или твердеющие смеси на основе хвостов обогащения).

При закладке пройденных по простиранию пласта камер большой длины расстояние S (фиг.2) между скважинами определяют из выражения

S≤2ε_пр·ctgϕ,

где: S - расстояние между скважинами,

ε_пр - максимально допустимые опускания пород водозащитной толщи, расположенной над закладочным массивом, при превышении которых происходит разрушение водозащитной толщи с образованием в ней водопроводящих трещин,

ϕ - угол растекания закладочного материала в горной выработке (угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью закладочного массива 15 (фиг.2)).

При закладке камер большой длины, пройденных по простиранию пласта, опускания пород водозащитной толщи в точке D (фиг.2) не должны превышать ε_пр.

Бурение скважин и подача в камеры нерастворяемых в воде закладочных материалов до заполнения камер в месте подачи закладочного материала на всю их высоту позволяет исключить опасные величины опусканий пород кровли разрабатываемых калийных пластов, а следовательно, и земной поверхности, над выработанным пространством в случаях проникновения в рудник подземных вод. Обсадка скважин трубами исключает поступление в камеры воды по скважинам.

Первыми закладывают камеры (7), расположенные в непосредственной близости от зоны прорыва 4 подземных вод со стороны восстания пласта калийной соли. Это позволяет исключить возможность поступления воды в отработанную часть шахтного поля (с, фиг.1), расположенную со стороны восстания пласта калийной соли от зоны 4 прорыва подземных вод, и разрушение целиков 14 при растворении водой соляных пород. После закладки камеры (камер) 7 производят закладку камеры (камер) 8, расположенной непосредственно под зоной прорыва 4 подземных вод, что позволяет уменьшить притоки воды (рассолов) в подземные горные выработки рудника, а следовательно, и интенсивность растворения соляных пород.

Повышение эффективности заявляемого способа при использовании для закладки камер нерастворяемых в воде твердеющих закладочных материалов (например, песчано-цементных смесей) объясняется тем, что при этом повышается надежность исключения опасных опусканий пород водозащитной толщи и предотвращения проникновения подземных вод через закладочный массив в камеры, не заполненные закладочным материалом.

Выполнение условия S≤2ε_пр·ctgϕ при закладке пройденных по простиранию камер большой длины исключает возможность опасных опусканий (ε_пр) пород водозащитной толщи в точках, равноудаленных от рядом расположенных скважин (точка D, фиг.2), при превышении которых происходит разрушение водозащитной толщи с образованием в ней водопроводящих трещин.

По сравнению с известными способами данный способ позволяет уменьшить вероятность затопления калийных рудников и исключить опасные деформации земной поверхности при прорывах подземных вод в подземные горные выработки через водопроводящие трещины, образующиеся в водозащитных толщах в местах геологических нарушений.

Положительный экономический эффект, получаемый при реализации данного способа, обусловлен: сохранением запасов калийных солей и обеспечением возможности дальнейшей работы высокоприбыльных рудников, снижением негативного воздействия прорывов воды в калийные рудники на состояние земной поверхности и экологическую обстановку.

Заявляемый способ предназначен, в основном, для использования при подземной отработке месторождений калийных солей.

Параметры, необходимые для реализации заявляемого способа, а именно величину угла растекания ϕ закладочного материала в горной выработке и максимально допустимые опускания ε_пр пород водозащитной толщи, расположенной над закладочным массивом, при превышении которых происходит разрушение водозащитной толщи с образованием в ней водопроводящих трещин, определяют в каждом конкретном случае по известным методикам с использованием шахтных, лабораторных или аналитических исследований.

1. Способ предотвращения затопления калийных рудников и опасных деформаций земной поверхности при прорывах в рудники подземных вод, включающий оставление между камерами, пройденными при отработке пласта калийной соли, целиков полезного ископаемого и заполнение камер закладочным материалом, отличающийся тем, что от земной поверхности до камер пробуривают скважины, скважины обсаживают трубами, по скважинам в камеры подают не растворяемые в воде закладочные материалы до заполнения камер в месте подачи закладочных материалов на всю высоту камеры, при этом первыми закладывают камеры, расположенные в непосредственной близости от зоны прорыва подземных вод со стороны восстания пласта калийной соли, после чего производят закладку камер, расположенных под зоной прорыва подземных вод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по скважинам в камеры подают не растворяемые в воде твердеющие закладочные материалы.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что при закладке пройденных по простиранию пласта камер большой длины, расстояние между скважинами определяют из выражения

S≤2ε_np·ctgϕ,

где S - расстояние между скважинами,

ε_np - максимально допустимые опускания пород водозащитной толщи, расположенной над закладочным массивом, при превышении которых происходит разрушение водозащитной толщи с образованием в ней водопроводящих трещин,

ϕ - угол растекания закладочного материала в горной выработке.