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

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть применено при осушении горных пород системами восстающих дренажных скважин, сооружаемых из горных выработок. Способ включает сооружение вертикальных восстающих скважин на дренируемый водоносный горизонт, при этом 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. Это позволяет создать замкнутый дренажный контур и практически исключить проскок подземных вод в защищаемый рудник или шахту. Технический результат заключается в снижении проскока подземных вод до минимальных допустимых значений. 2 ил.

 

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.

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.