Способ защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено для снижения обводненности горных выработок, предупреждения загрязнения водоемов и водотоков нефтепродуктами в неоднородных по водопроницаемости трещиноватых пластах. Способ защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах включает определение водопроницаемости пород и сооружение вертикальной инъекционной противофильтрационной завесы, перекрывающей трещиноватый массив по вертикали путем бурения по трассе завесы инъекционных скважин и нагнетания через них закрепляющего раствора в трещиноватый массив. В качестве вертикальной инъекционной противофильтрационной завесы сооружают вертикальную инъекционную противофильтрационную завесу гидродинамически несовершенного типа. Глубину скважин для инъектирования коррелируют с экспоненциальным уменьшением водопроницаемости массива с глубиной. При инъектировании скважин также в зависимости от экспоненциального снижения водопроницаемости закрепляемых пород выделяют по вертикали не менее двух интервалов инъектирования, в пределах которых используют закрепляющие растворы, вязкость которых соответствует средней водопроницаемости соответствующего интервала. Технический результат состоит в снижении глубины инъекционных скважин и объема бурения, предотвращении нефтяного загрязнения водотоков, рек, естественных и искусственных водоемов, повышении надежности тампонирования трещиноватых пород. 1 ил.

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено для снижения обводненности горных выработок, предупреждения загрязнения водоемов и водотоков нефтепродуктами в неоднородных по водопроницаемости пластах.

Из технического уровня известно применение способа защиты горных работ в однородных водоносных пластах путем сооружения противофильтрационных завес (ПФЗ) совершенного типа, то есть заглубленных в водоносный пласт до водоупорного слоя. При этом из практики сооружения этих завес известно, что в случаях, когда завесы были не доведены до кровли подстилающих слабопроницаемых отложений, т.е. фактически в способе использована несовершенная ПФЗ, наблюдается проскок воды. Несовершенные ПФЗ теряют свою эффективность уже при расстоянии между основанием завесы и слоем связных водоупорных пород равном нескольким дециметрам («Гидротехника в горном деле и строительстве» под редакцией Н.А.Плотникова. М.: Недра, 1978, с.408).

Известен также способ защиты горных работ в водоносных пластах, основанный на сооружении защитной несовершенной ПФЗ, результат применения которой показал неэффективность ПФЗ в безнапорном водоносном горизонте с глубиной потока 50 м. При интервале обводненного пласта не перекрытом завесой всего на 0,2 м проскок воды под завесой составляет более 90% притока без завесы [Н.Н.Рогатин, Н.П.Сенаторов «Противофильтрационные завесы на карьерах». М.: Недра, 1979, с.128].

При оценке эффективности способов защиты с использованием несовершенной ПФЗ методами математической аналогии и аналитически показано, что основным недостатком такой завесы остается ее низкая техническая эффективность в однородных по водопроницаемости пластах. Выполненное моделирование и фильтрационные расчеты показали, что практически заметное снижение водопритоков к защищаемому участку горных работ достигается при перекрытии завесой около 90% мощности водоносного горизонта [Ю.В.Пономаренко «Оценка эффективности противофильтрационных завес несовершенных по степени перекрытия водоносного пласта» Сб. трудов 3-го семинара по применению геофизических и математических методов при гидрогеологических исследованиях». М.: Изд. ВСЕГИНГЕО, 1970, с.190-196].

В качестве прототипа по совокупности существенных признаков выбран инъекционный способ сооружения ПФЗ для защиты горных выработок от обводнения в трещиноватых водоносных пластах [С.К.Абрамов, М.С.Газизов, В.И.Костенко «Защита карьеров от воды». М.: Недра, 1976, 168 с.].

Способ предусматривает сооружение вертикальной инъекционной завесы путем бурения по трассе завесы специально оборудованных инъекционных скважин на глубину развития водоносных пород, подбор закрепляющего состава и нагнетание его в водоносный слой. При этом при выполнении обосновывающих расчетов трещиноватая толща сводится к схеме однородного в разрезе пласта со средним значением коэффициента фильтрации. И защиту осуществляют путем сооружения ПФЗ совершенного типа.

На практике способ включает операцию выбора трассы ПФЗ, проведение изысканий по трассе для уточнения водопроницаемых инъектируемых пород и химического состава подземных вод, подбор закрепляющего состава, бурение инъекционных и наблюдательных скважин на глубину развития водоносных пород, приготовление и нагнетание закрепляющего состава, проведение гидрогеологических (или геофизических) наблюдений для выявления незатампонированных участков в теле завесы в результате несмыкания закрепленных цилиндров пород и проведение (при необходимости) последующего тампонажа на незакрепленных участках завесы.

Недостатками прототипа являются:

- значительные глубины ПФЗ в связи с ориентацией на применение совершенных завес;

- соответственно, значительные объемы бурения инъекционных скважин;

- большие расходы закрепляющих составов;

- образование в теле завесы незакрепленных щелей и «окон», снижающих противофильтрационную эффективность завесы.

Задачей изобретения является разработка способа защиты в неоднородных по водопроницаемости горных породах от обводнения и водных ресурсов от загрязнения с помощью противофильтрационных завес гидродинамически несовершенного типа.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются:

- возможность применения на практике гидродинамически несовершенных ПФЗ;

- снижение глубины инъекционных скважин и соответственно объема бурения;

- предотвращение нефтяного загрязнения водотоков, рек, естественных и искусственных водоемов;

- повышение надежности тампонирования трещиноватых пород путем применения различных составов для выделенных зон по их водопроницаемости.

Решение поставленной задачи и достижение перечисленных технических результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе защиты горных работ от обводнения и водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных горизонтах, включающем определение водопроницаемости пород, сооружение вертикальной противофильтрационной завесы путем бурения по трассе завесы инъекционных скважин и нагнетания через них закрепляющего раствора в трещиноватый массив, в качестве вертикальной инъекционной противофильтрационной завесы сооружают вертикальную инъекционную противофильтрационную завесу гидродинамически несовершенного типа, при этом глубину скважин для инъектирования коррелируют с экспоненциальным характером уменьшения водопроницаемости массива с глубиной, а при инъектировании скважин также в зависимости от экспоненциального снижения водопроницаемости закрепляемых пород выделяют по вертикали не менее двух интервалов инъектирования, в пределах которых используют разные закрепляющие растворы, вязкость которых соответствует средней водопроницаемости выделенных интервалов пород.

Заявленная совокупность существенных признаков построена на закономерном весьма интенсивном снижении водопроницаемости по глубине трещиноватого массива, не учитываемое в прототипе, которое описывается экспоненциальной зависимостью коэффициента фильтрации (К) от вертикальной координаты Z

где

К₀ - значение коэффициента фильтрации у кровли трещиноватого пласта (Z=0);

m - мощность трещиноватого водоносного горизонта;

β - постоянная величина, определяемая по данным опытных поинтервальных откачек.

Это позволяет по экспоненциальному уменьшению водопроницаемости массива с глубиной определить оптимальную глубину ПФЗ гидродинамически несовершенного типа, т.е. не доведенной до водоупорной почвы водоносного горизонта, а перекрывающую лишь его верхнюю наиболее проницаемую часть (см. чертеж).

Выполненные расчеты показывают, что в условиях интенсивного убывания водопроницаемости трещиноватого массива с глубиной применение ПФЗ несовершенного типа становится эффективным техническим решением по защите горных работ от обводнения.

При этом эффективность завесы характеризовалась отношением водопритока к защищаемому участку горных работ Q_З к притоку без применения ПФЗ

в котором Q обозначена величина притока к горным выработкам незащищенным ПФЗ, вычисляемая по известной формуле Дюпюи.

Применение гидродинамически несовершенных завес для защиты водоемов от загрязнения нефтепродуктами также создает значительные преимущества.

Нефтепродукты, характеризующиеся по сравнению с подземными водами низкими значениями плотности, движутся в направлении к базису дренажа (водоему или водотоку) в верхних слоях водоносного горизонта и потому эффективно задерживаются несовершенной завесой, перекрывающей именно верхнюю наиболее проницаемую часть трещиноватого горизонта.

Инъектирование трещиноватых пород осуществляют с учетом экспоненциального характера убывания водопроницаемости и раскрытости трещин обводненных пород по глубине. Для этого предлагается в соответствии с кривой экспоненциального уменьшения водопроницаемости пород с глубиной выделить верхнюю зону активного водообмена для перекрытия завесой и нижнюю, характеризующуюся затрудненными условиями циркуляции подземных вод.

Нижней границей зоны активного водообмена принимают глубину, на которой согласно конкретного вида экспоненты K(Z) коэффициент фильтрации падает до ˜1 м/сутки. Зону затрудненной циркуляции вод ограничивают глубиной, на которой коэффициент фильтрации снижается до 0,01 м/сут.

B верхней зоне с повышенными значениями водопроницаемости выделяют по вертикали два интервала инъектирования. В пределах верхнего интервала применяют цементные и цементно-глинистые растворы с разной вязкостью. Для снижения потерь раствора за счет вымывания и уноса фильтрационным потоком используют добавки, сокращающие сроки схватывания закрепляющих составов (хлористый кальций, хлористый алюминий и др.).

В условиях высокоминерализованных и агрессивных вод применяют глинистые растворы на основе бентонитовых глин.

В нижнем интервале верхней зоны пласта перекрываемой ПФЗ закрепляющие составы должны иметь низкую вязкость, близкую к вязкости воды, сроки отвердения быть более длительными и легко регулироваться с помощью отвердителей и обеспечивать уплотнение трещиноватых пород при пониженных температурах подземных вод, а также быть стойкими к агрессивным высокоминерализованным водам и экологически безвредными. В рассматриваемых условиях могут применяться мочевинно-формальдегидные, фурфурольные смолы и некоторые зарубежные составы.

В качестве добавок, замедляющих схватывание смесей применяются лигносульфонаты технические, заниженные концентрации отвердителей и др.

Способ защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах осуществляют следующим образом.

Выбирают трассу ПФЗ, проводят по трассе гидрогеологические изыскания для определения фильтрационных характеристик водоносной толщи и химического состава подземных вод. По данным поинтервальных опытных откачек выявляют вид экспоненциальной зависимости снижения водопроницаемости пород с глубиной. По величине допустимых водопритоков к защищаемому участку горных работ устанавливают заглубление ПФЗ в трещиноватые водоносные пласты, которое коррелируют с экспоненциальным снижением водопроницаемости. В зависимости от водопроницаемости пород выделяют по вертикали не менее двух интервалов инъектирования перекрываемых пород и подбирают для каждого интервала закрепляющий раствор, вязкость которого соответствует средней водопроницаемости соответствующего интервала. Выполняют по трассе ПФЗ бурение контрольно-наблюдательных скважин на глубину ПФЗ. Поинтервально инъектируют трещиноватые породы. После истечения времени отверждения закрепляющих составов проводят контрольные измерения. При обнаружении в теле ПФЗ незакрепленных участков выполняют последующее инъектирование.

Практическая применимость заявляемого способа защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах показывает следующий модельный пример.

Пример:

Характеристика разрабатываемого месторождения:

- породы - трещиноватые с фильтрационной неоднородностью в разрезе;

- восточный борт карьера - трещиноватый пласт конечной мощности, в кровле залегают высокообводненные четвертичные аллювиальные (галечниковые) отложения с коэффициентом фильтрации до 320 м/сут (см. чертеж).

Намечают трассу ПФЗ. Определяют по трассе водопроницаемость пород путем бурения 9 разведочных скважин на глубину 60 м.

По данным опытных откачек установлено, что

коэффициент фильтрации Ко, м/сут,	23
β	7,6
напор над кровлей трещиноватых пород Но, м	10-12
расчетные значения мощности трещиноватостью водоносного
горизонта m, м	60

Принимая l₃ равным 0,025, 0,08, 0,17, 0,33, 0,50 и 1,0, где l₃ глубина врезки ПФЗ в трещиноватый пласт, строят график изменения притока воды под ПФЗ несовершенного типа в координатах q_пр - l₃.

Задаваясь допустимым значением единичного водопритока к защищаемому борту карьера - 10 м³/ч по графику определяют, что заглубление завесы в трещиноватые породы должно быть равно 21 м, общая глубина ПФЗ несовершенного типа (с учетом мощности покровных четвертичных отложений) составит 31-33 м. В этом случае прогнозируемый приток к борту карьера на участке ПФЗ несовершенного типа (200 м) снижаются практически в 40 раз.

Выделяют по глубине ПФЗ несовершенного типа не менее двух закрепляемых интервалов с разной водопроницаемостью.

Первый (сверху) интервал характеризуется средней водопроницаемостью 12,7 м/сут, и для его закрепления применяют закрепляющий раствор цементный, с соотношением цемент-вода и песок 1:1:2 частям; время схватывания закрепляющего раствора равно не более 5 часов.

Второй интервал характеризуется средней водопроницаемостью 1,7 м/сут и для его закрепления использован более подвижный цементный закрепляющий раствор с соотношением Т:Ж=1:2.

Время схватывания закрепляющего раствора равно - до 24 часов.

Объем бурения составил 1600 п.м.

Как видно из приведенного примера, заявляемая совокупность существенных признаков способа защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах работоспособна и гидродинамически несовершенная ПФЗ применима на практике с позитивным результатом, что позволяет снизить глубину инъекционных завес и соответственно объем бурения в 2-3 раза, предотвратить нефтяное загрязнение водотоков, естественных и искусственных водоемов, повысить надежность тампонирования трещиноватых пород путем применения различных составов тампонирующих растворов, соответствующих водопроницаемости выделенных интервалов, т.е. дополнительно устраняются в отличие от прототипа потери тампонирующих растворов за счет применения в заявляемой совокупности признаков соответствующих по подвижности тампонажных растворов, и придания способу управляемости качеством тампонирования.

Способ защиты горных работ от обводнения, водных ресурсов от загрязнения нефтепродуктами в трещиноватых водоносных пластах, включающий определение водопроницаемости пород и сооружение вертикальной инъекционной противофильтрационной завесы, перекрывающей трещиноватый массив по вертикали путем бурения по трассе завесы инъекционных скважин и нагнетания через них закрепляющего раствора в трещиноватый массив, отличающийся тем, что в качестве вертикальной инъекционной противофильтрационной завесы сооружают вертикальную инъекционную противофильтрационную завесу гидродинамически несовершенного типа, при этом глубину скважин для инъектирования коррелируют с экспонциальным уменьшением водопроницаемости массива с глубиной, а при инъектировании скважин также в зависимости экспонциального снижения водопроницаемости закрепляемых пород выделяют по вертикали не менее двух интервалов инъектирования, в пределах которых используют закрепляющие растворы, вязкость которых соответствует средней водопроницаемости соответствующего интервала.