способ подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок

Формула изобретения

Способ подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок, включающий понижение в массиве уровня высокоминерализованной воды, отвод и сброс ее в водоприемник, отличающийся тем, что после понижения уровня минерализованной воды в массиве горных пород уменьшают концентрацию солей в этой воде в зоне заложения каждой выработки посредством, например, нагнетания в массив подогретой пресной воды, до величины, при которой температура замерзания воды в каждой зоне выше температуры массива горных пород.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проходке вертикальных, наклонных и горизонтальных выработок в процессе строительства подземных горных предприятий в районах многолетней мерзлоты.

Известен способ подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок, например, вертикальных стволов с помощью замораживающих скважин, которые бурят с поверхности до подошвы водоносного горизонта по концентрической окружности в непосредственной близости от места заложения ствола [1].

Недостатками этого способа являются большие затраты времени и средств на замораживание пород вокруг выработки, а также значительные неэффективные расходы на понижение температуры мерзлых пород над водоносным горизонтом.

Известен способ защиты горных выработок от подземных минерализованных вод, включающий нагнетание в водоносный пласт в местах заложения выработок тонкодисперсной пресной пульпы и ее замораживание, с предварительным заложением водостойких ВВ и их взрыванием [2].

Недостатком указанного способа является то, что нагнетаемая пресная пульпа проникает в ближайшие трещины вокруг скважин, вытесняя высокоминерализованную воду, и создает после замораживания немонолитную защитную зону вокруг выработки. Кроме того, при больших притоках высокоминерализованной воды к местам заложения выработок происходит вымывание этой водой пульпы из системы трещин вокруг скважин, в результате защитная зона не образуется.

Известен способ подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок, включающий понижение в массиве уровня высокоминерализованной воды за счет ее откачивания, отвода от массива и сброса в водоприемник [3]. Этот способ принят нами в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является то, что в месте заложения горных выработок после откачивания подземных высокоминерализованных вод значительная их часть остается в массиве при статическом давлении до 40…80 м вод.ст., что создает возможность прорыва воды и затопления горных выработок при их проходке.

Задачей предложенного способа является обеспечение безопасности при проведении выработок в массиве многолетнемерзлых и обводненных горных пород в сложных условиях, когда имеют место значительные притоки высокоминерализованной воды с большим статическим давлением в кровле водоносного горизонта, а также уменьшение времени и снижение затрат на подготовку массива.

Это достигается тем, что в способе подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок, включающем понижение в массиве уровня высокоминерализованной воды, отвод и сброс ее в водоприемник, после понижения уровня минерализованной воды в массиве горных пород уменьшают концентрацию солей в этой воде в зоне заложения каждой выработки посредством, например, нагнетания в массив подогретой пресной воды до величины, при которой температура замерзания воды в каждой зоне выше температуры массива горных пород.

Нагнетаемая пресная вода в зоне заложения выработок замещает и разбавляет в них высокоминерализованную воду, уменьшая концентрацию солей в этой воде до предела, при котором опресненная вода замерзает и образует вместе с мерзлыми породами монолитную зону, обеспечивающую безопасную проходку выработок.

На фиг.1, 2 показаны вертикальные разрезы горизонтальной выработки по оси и перпендикулярно к ней в массиве обводненных многолетнемерзлых горных пород.

На фиг.3, 4 показаны вертикальный и горизонтальный разрезы ствола в массиве многолетнемерзлых горных пород с водоносным горизонтом.

Способ подготовки массива многолетнемерзлых и обводненных горных пород для проходки выработок осуществляют следующим образом.

В массиве горных пород в зоне 1 заложения выработки 2 (штрека, ствола, уклона и др.) понижают уровень подземных высокоминерализованных вод 3 подземного водоносного горизонта 4 до заданной величины посредством системы скважин 5. При определении статического давления этой воды над подошвой водоносного горизонта 4 или почвой горизонтальной выработки 2 учитывают горногеологические условия массива и требования по безопасности ведения горных работ. Как правило, эта величина находится в диапазоне 5...10 м вод.ст. Откачиваемую воду отводят по трубопроводу и сбрасывают в водоприемник (не показано). После понижения уровня минерализованной воды до заданной величины уменьшают концентрацию солей в ней посредством, например, нагнетания через дополнительные скважины 6 подогретой пресной воды. Контроль давления и температуры высокоминерализованных вод осуществляют с помощью датчиков, установленных в контрольно-измерительных скважинах 7, а определение концентрации солей в этих водах проводят путем регулярного взятия проб воды из скважин и их анализа в лабораторных условиях. В качестве контрольно-измерительных скважин можно использовать водопонизительные и водонагнетательные скважины. По показаниям датчика температуры воды в скважине определяют температуру массива горных пород, а по величине концентрации солей в воде пробы - температуру замерзания этой воды. Процесс нагнетания пресной воды прекращают, когда температура замерзания воды в пробе будет выше температуры массива горных пород в зоне 1 заложения выработок. В результате этого в водоносном горизонте 4 в зоне, оконтуренной скважинами 5, опресненная минерализованная вода замерзает и вместе с мерзлыми горными породами образует прочную монолитную оболочку, обеспечивающую безопасность при проходке выработок. Таким образом, данный способ обеспечивает подготовку массива горных пород водоносного горизонта 4 в зоне заложения выработки 2 без затрат на искусственное его замораживание.

Пример реализации способа

Массив многолетнемерзлых и обводненных горных пород с содержанием в воде солей 110 г/л и температурой горных пород, состоящих из трещиноватых доломитов, -1,6°С подготавливают для проходки штрека сечением 9,1 м². Статическое давление минерализованной воды над почвой проектируемого штрека составляет 60 м вод.ст. Для снижения напора минерализованной воды бурят шесть вертикальных водопонизительных скважин на одинаковом расстоянии друг от друга по оси этого штрека. Через указанные скважины откачивают высокоминерализованные воды с отводом и сбросом в водосборник. Поскольку массив представлен доломитами, то остаточное статическое давление минерализованной воды над почвой штрека составляет 10 м вод.ст. Одновременно с водопонижением до указанного уровня бурят 16 дополнительных скважин длиной 25 м параллельно оси проектируемого штрека на расстоянии не более 30 см вглубь от его контура. При достижении статического давления минерализованной воды уровня в 10 м вод.ст. над почвой штрека начинают закачивать через дополнительные скважины подогретую пресную воду. Контроль температуры массива горных пород и давления минерализованной воды осуществляют с помощью серийно выпускаемых датчиков, установленных в контрольной водопонизительной скважине, определение концентрации солей в воде проводят в пробах, отбираемых ежесменно из контрольной скважины в контуре штрека. Через пять суток концентрация солей в воде достигла 20 г/л, при которой температура замерзания минерализованной воды составляет -1,2°С, и процесс нагнетания подогретой пресной воды прекращают. Далее в течение трех суток произошло полное замерзание опресненной минерализованной воды в зоне заложения штрека, что обеспечило безопасную его проходку. Подготовка массива для проходки штрека осуществлена в меньшие в 3-4 раза сроки, затраты на нее - в 2-3 раза ниже по сравнению со способом подготовки массива с искусственным замораживанием.

Пример подготовки массива многолетнемерзлых горных пород с водоносным горизонтом для проходки вертикального ствола отличается тем, что вертикальные водопонизительные скважины бурят с поверхности равномерно по окружности вокруг оси проектируемого ствола до подошвы водоносного горизонта. Став труб в каждой из них перфорирован на высоту водоносного горизонта. Откачивание минерализованной воды ведут до достижения уровня ее статического давления в 10 м вод.ст. над подошвой этого горизонта. Нагнетательные скважины также бурят по концентрической окружности вокруг оси ствола. Нагнетание подогретой пресной воды для разбавления минерализованной воды для сходных горногеологических условий месторождения проводят в течение 5-15 суток, естественное замерзание опресненной воды в массиве мерзлых горных пород - 5-10 суток. При этом обеспечивается также безопасность проведения ствола. Затраты на подготовку массива многолетнемерзлых обводненных горных пород для проходки ствола предложенным способом в 5-8 раз, в зависимости от глубины залегания водоносного горизонта минерализованной воды, ниже по сравнению со способом искусственного замораживания высокоминерализованной воды в массиве горных пород с использованием замораживающих скважин с поверхности.

Источники информации

1. Строительство горных выработок в сложных горнотехнологических условиях. Справочник./Под ред. Б.А. Картозия. - М: Недра, 1992, с. 198-206.

2. Авторское свидетельство №1726773, кл. Е 21 D 1/12, 31.05.89 г.

3. Авторское свидетельство №1665736, кл. Е 02 D 19/10, 22.05.89 г. -прототип.