способ защиты от обводнения глубоких рудников и шахт с помощью восстающих многозабойных дренажных скважин

Формула изобретения

Способ защиты от обводнения глубоких рудников и шахт с помощью восстающих многозабойных дренажных скважин, включающий сооружение вертикальных восстающих скважин на дренируемый водоносный горизонт, отличающийся тем, что из каждой восстающей скважины в точке, находящейся ниже на 30-50 м ниже почвы водоносного горизонта, зарезают дополнительный боковой ствол с радиусом закругления (кривизны) около 50 м, боковой ствол проходят после выхода его в дренируемые породы в направлении следующей восстающей скважины до точки выхода следующего дополнительного ствола в дренируемые породы, что позволяет создать замкнутый дренажный контур и практически исключить проскок подземных вод в защищаемый рудник или шахту.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к освоению обводненных глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых.

Из современного технического уровня известен поверхностный (бесшахтный) способ осушения рудников и шахт, который заключается в бурении за внешней границей осушаемого рудного поля заградительного контура глубоких водопонижающих скважин, оборудованных скважинными погружными насосами [Болотских Н.С., Кузькин B.C., Пономаренко Ю.В. и др. Справочник по осушению горных пород. М.: Недра, 1984].

Этот широкоизвестный способ осушения месторождений характеризуется рядом существенных недостатков, которые наиболее значительно проявляются при осушении глубоких рудников и шахт. К основным недостаткам этого способа следует отнести:

1) необходимость бурения глубоких водопонижающих скважин;

2) сложность конструкций скважин, пересекающих слоистую толщу покровных отложений, содержащих несколько водоносных горизонтов;

3) необходимость оборудования скважины погружными насосами и одновременной эксплуатации большого числа скважин, что снижает эксплуатационную надежность дренажной системы;

4) сложность энергообеспечения водопонижающих скважин;

5) подверженность скважин повреждению или разрушению при перемещении горно-транспортных средств;

6) необходимость оставления в водопонижающих скважинах столба воды для создания нормальных условий эксплуатации (охлаждения) насосов, что не позволяет достичь требуемого максимального снижения уровня подземных вод;

7) возможность проникновения с поверхности через устья скважин различных загрязнений в дренажные воды и в пересекаемые водоносные горизонты;

8) необходимость перебуривания скважин при разноске бортов карьеров;

9) дискретное расположение водопонижающих скважин, что приводит к проскоку подземных вод между скважинами и обводнению горных выработок и др.

В настоящее время известен более совершенный способ защиты горных работ от притоков подземных вод, который получил широкое распространение, является более близким аналогом заявленному способу и поэтому принят в качестве прототипа. Этот способ представляет собой систему (линейную или контурную) восстающих дренажных скважин, сооружаемых из подземных горных выработок [Пономаренко Ю.В., Волков Ю.И., Кузькин B.C. и др. Теоретическое обоснование и преимущества применения систем восстающих дренажных скважин на обводненных объектах. Материалы 7-го международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». Белгород, ВИОГЕМ, 2003].

Способ осушения месторождений с помощью систем восстающих дренажных скважин лишен практически всех недостатков поверхностного способа осушения за исключением одного, связанного дискретным расположением дренажных устройств, а следовательно, допускает проскок подземных вод между восстающими скважинами.

Задача заявленного изобретения состоит в том, чтобы теоретически исключить проскок подземных вод в горные выработки, а практически минимизировать поступление вод к участку горных работ.

Технические результаты, которые могут быть получены при использовании предлагаемого способа защиты от обводнения рудников и шахт, заключаются:

- в создании схемы перекрещивающегося расположения дренажных скважин с целью полного пересечения (перекрытия) потока подземных вод, движущегося к горным выработкам, которая позволит отстроить систему замкнутого дренажного контура;

- в снижении проскока подземных вод до минимальных допустимых значений.

Решение поставленной задачи и достижение перечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе осушения (прототип) месторождений с помощью систем восстающих дренажных скважин из каждой основной восстающей скважины проходят дополнительный боковой дренажный ствол (правый или левый). Поскольку радиус кривизны боковых стволов может изменяться в пределах от 30 до 50 м, то боковые скважины необходимо закладывать в водоупорных породах, подстилающих дренируемый водоносный горизонт на отметках, которые на 30-50 м ниже почвы обводненного слоя с таким расчетом, чтобы горизонтальные ветви боковых скважин располагались у почвы водоносного горизонта, как это показано на фиг.1.

Искривление боковых скважин при их бурении достигается с помощью забойного двигателя и отклоняющих устройств: турбинного отклонителя типа ОТС, отклонителя Р-1 и др. [Калинин А.Г., Левицкий А.З. Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые. М.: Недра, 1988].

Переход на бурение дополнительных боковых стволов осуществляют с помощью забойного двигателя, доставляемого на забой через рабочую обсадную колонну на бурильных трубах.

Одновременно с бурением боковых стволов по буримой скважине забойным двигателем протягивается гибкий (синтетический) фильтр, внутренний диаметр которого превышает диаметр забойного двигателя на 4 дюйма. При этом бурение выполняют разрушающим инструментом (наконечником), диаметр бурения которым больше наружного диаметра фильтра на 4 дюйма.

Авторы предлагают дренажную систему сооружать с помощью проходки только левых или правых дополнительных боковых стволов. При этом боковые стволы из каждой основной скважины проходят до точек В, С, Д, в которых дополнительные стволы выходят из подстилающего пласта, в дренируемый водоносный горизонт (фиг.1).

Способ осушения водоносного горизонта, являющегося основным источником обводнения горных работ, осуществляется следующим образом. В начале из подземной горной выработки 1 сооружают основные восстающие дренажные скважины, например 2, 3 и 4, вскрывающие дренируемый горизонт на установленную проектом глубину. У почвы водоносного горизонта в каждой основной скважине устанавливают пакеры 5, временно перекрывающие притоки воды по основным скважинам 2, 3 и 4. Из точек А на основных скважинах забуривают боковые стволы 6, 7 и 8, которые соответственно вскрывают дренируемый горизонт в точку В, С и D. Боковые стволы соответственно проходят до указанных точек (В, С и D), что необходимо для создания замкнутого дренажного контура и минимизации проскока подземных вод.

Наиболее сложная задача состоит в сооружении скважин в рыхлых обводненных и неустойчивых породах. В этих случаях с целью обеспечения устойчивости стенок скважин применяют гипановые буровые растворы [Башкатов Д.Н. и др. Справочник по бурению скважин на воду. М.: Недра, 1979].

После завершения проходки бокового ствола дополнительной скважины буровой инструмент отсоединяют и используют его для перекрытия скважины на забое с целью предотвращения поступления в фильтровую колонну мелкозема. Забойный двигатель извлекают по стволу скважины, закрепленному фильтровой трубой. На завершающем этапе при вводе в эксплуатацию сооруженной дренажной системы установленные пакеры 5 извлекают.

Практическая применимость заявленного изобретения показана на следующем примере. В качестве осушаемого объекта рассмотрен борт проектируемого карьера в бассейне КМА.

На площади осваиваемого месторождения распространены шесть водоносных горизонтов (фиг.2): в аллювиальных песках, встречающихся только в долине реки, в неогеновых глинистых песках, распространенных спородически, девонский и рудно-кристаллический горизонты, преимущественно связанные со скальными породами. Основными источниками обводнения бортов карьера являются мело-мергельный и альб-сеноманский водоносные горизонты. Но наибольшие трудности обеспечения устойчивости бортов связаны с обводненными песками альб-сеноманского горизонта, мощность которого иногда достигает 35-40 м, а коэффициент фильтрации до 10 м/сут.

При разработке системы осушения альб-сеноманского водоносного горизонта на стадии ТЭР проработаны несколько альтернативных вариантов, в том числе и вариант осушения песков восстающими скважинами с дополнительными боковыми стволами, сооруженными из подземных горных выработок.

По указанному варианту восстающие скважины на альб-сеноманские пески предусмотрено бурить по замкнутому контуру с шагом 40-50 м, боковые стволы (правые) забуривались ориентировочно на 40-45 м ниже почвы дренируемых песков (см. фиг.1). При этом для создания замкнутого дренажного контура и предотвращения проскока подземных вод на борт карьера боковые горизонтальные ветви стволов предусмотрено проходить до точек выхода смежных боковых стволов в альб-сеноманские пески.

Бурение восстающих скважин предусмотрено выполнить буровой установкой УДБ-8-01 м. Боковые стволы намечено проходить с применением забойных двигателей.

Выполненные оценочные расчеты и компьютерное моделирование показали, что при варианте применения восстающих скважин без дополнительных боковых стволов, проскок подземных вод в карьер, например, на 8-ой год отработки, составит 2500 м³/ч при общем притоке 5650 м³/ч. По варианту с применением восстающих скважин с дополнительными боковыми стволами проскок подземных вод в карьер не будет превышать ~550 м³/ч.