Спосіб захисту кімберлітових кар’єрів від підземних вод високонапорних водоносних горизонтів

1. СПОСОБ ЗАЩИТЫ КИМБЕРЛИТОВЫХ КАРЬЕРОВ ОТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВЫСОКОНАПОРНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ, включающий бурение скважин, создание изо ляционной завесы путем нагнетания тампонажного раствора в скважины, о т л и ч а ю щ и й с я , тем, что, с целью предотвращения влияния высокоминерализованных подземных вод на кимберлитосодержащие породы, снижения материалоемкости водоизоляционных работ, тампонажную изоляционную завесу располагают в зоне естественных температур с изотермой от -2,5 С и ниже на полное сечение рудного тела для снижения вертикальной фильтрации подземных вод из водоносных горизонтов, при этом густоту расположения тампонажных скважин и мощность изоляционной завесы определяют с учетом трещиноватости пород в рудргом теле минерализации и гидростатического напора подземных вод. Фгп1 СО С 1240132 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю суспензий используют тонкодисперсиые щ и й с я тем,что в качестве тампонажно шламы обогатительных фабрик, замерго состава используют вязкие суспензии, зающие в условиях естественных отри3, Способ по п. 2, о т л и ч а ю дательных температур горного м а е щ и й с я тем, что в качестве вязких сива. Изобретение относится к области того, из этих скважин отбирают пробы горного дела и может быть использоваПодземных вод для определения степено при разработке открытым способом ни минерализации. По результатам гидкимберлитовых месторождений в условие родинамических исследований опредеях обводнения высокомииерализованныляют требуемую мощность тампонажного ми подземными водами при пересечении ' горизонта завесы 6 и густоту располокимберлитовой трубкой глубокораспожения тампонажных скважин 4. Густоту ложенных водоносных горизонтов с отрасположения тампонажных скважин и рицательной естественной температуразмеры контура 10 распространения рой горного массива. 10 тампонажного раствора определяют одним из известных способов. Мощность Цель изобретения - предотвращение тампонажной завесы определяют одним влияния высокоминерализованных подиз известных способов, однако при ее земных вод на кимберлитосодержащие определении необходимо учитывать скопороды, снижение материалоемкости водоизоляционных работ и охрана окру- 15 рость возможного разрушения завесы под воздействием высокоминерализован•жающей среды. ных пластовых вод, поступающих по На фиг. показана кимберлитовая зарудному телу 5 из нижележащего водо'лежь, продольный разрез; на фиг. 2 носного горизонта 8. Тогда общая мощто же, вид сверху. 20 ность М тампонажной завесы определяНа чертежах и в тексте приняты ется из выражения следующие обозначения: M=R+At, (1) контур карьера 1; пьезометричесгде R - расчетная мощность тампонажкий уровень 2 подземных вод; контур ной завесы, определяемая с карьера 3 при конечной глубине отра25 учетом прочностных характеботки; тампонажные скважины 4; треристик тампонажного раствора щиноватое рудное тело 5; тампонажная и гидростатического напора завеса 6; изотерма 7 (-2,5 С ) ; водоподземных вод, м; носный горизонт 8; нулевая изотерма А - толщина разрушаемого слоя 9 (О С ) ; контур распространения тамтампонажной завесы под воз30 понажного раствора 10 из отдельной действием агрессивных подземскважины; контур 11 тампонажной завеных вод, м/г; сы. t - срок эксплуатации тампонажной Последовательность осуществления завесы. способа следующая. Со дна карьера бурят тампонажные скважины 4 на глуби- 35 Толщина разрушаемого слоя тампону, превышающую конечную отработку нажной завесы зависит от вида примекарьера 3, но не глубже зоны естестняемого тампонажного раствора и стевенных температур с изотермой пени минерализации подземных вод. (-2,5°С) 7, Затем с целью определеСтепень разрушения тампонажного ния фильтрационных параметров рудного .раствора подземными водами определяют тела 5 в зоне постановки тампонажного лабораторными и натурными исследовагоризонта выполняют гидродинамические ниями. Определив мощность тампоиажной исследования одним из известных спозавесы, размеры контура распространесобов, например расходометрией и мения тампонажного раствора из отдель4S тодом восстановления уровня. Кроме ной скважины, необходимый объем наг* 1240132 летания тампонажного раствора в каждую скважину, а также режимные параметры нагнетания раствора приступают к выполнению водоизоляционных работ, С этой целью в интервал сооружения тампонажной завесы нагнетают расчетное для скважины количество тампонажного раствора. Для создания тампонажной завесы используют вязкие суспен10 зии, затворенные на пресной воде, например тонкодисперсные шламы обогатительных фабрик, получаемые от пере'работки кимберлитов при добыче алмазов . Нагнетаемые в зону создаваемого противофильтрационного горизонта через скважины водные суспензии шламов, охлаждаясь за счет естественного холода горного массива, образуют льдотампонажную горизонтальную завесу 6, 20 препятствующую вертикальной фильтрации подземных вод по кимберлитовой трубке из водоносного горизонта к днищу карьера. Температура в зоне расположения тампонажной завесы 6 25 -2,5 С и ниже обусловлена устойчивым замерзанием вязких суспензий при этих температурах. При температурах выше -2,5°С не происходит 100%-ного замерзания раствора, что снижает качество 30 водоизоляционных работ. При температуре -2,5 С и ниже качество водоизоляционных работ обеспечивается полностью, при этом чем ниже температура горного массива, тем выше скорость 35 замерзания тампонажного раствора. Использование замерзающих суспензий позволяет значительно снизить материалоемкость водоизоляционных работ в условиях высокой минерализации под-4о земных вод, так как применение обычных тампонажных составов в условиях обводнения кимберлитовых месторождений высокоминерализованными подземными водами (до 400 г/л) требует при-45 меиения дорогостоящих растворов, которые , кроме коррозионной устойчивости, должны твердеть в условиях отрицательных температур. 4 50 Использование замерзающих суспензий в качестве тампонажного раствора позволяет отказаться от введения вяжущего (цемент и др.) в раствор и структурообраэователей, что поэволя-55 ет значительно удешевить тампонажные работы. Кроме того, использование шламов обогатительных фабрик способ ствует решению утилизации отходов промышленного производства. Учитывая, что подземные воды, обводняющие кимберлитовые месторождения , содержат соли тяжелых металлов в промышленном содержании, способ позволяет сохранить запасы этих вод. П р и м е р . Б качестве примера рассмотрим сооружение тампонажного горизонта на одном из месторождений алмазов Якутской АССР. Район месторождения характеризуется расположением многолетнемерзлых пород. Наиболее низкие температуры до минус 7мннус 9°С наблюдаются на глубине. 510 м. На глубине 100 м температура составляет минус 5- минус 6 С, на глубине 500-600 м - минус 2,7 - ми_ о нус 3,3 С. По данным специальных гидрогеологических исследований рудное тело'характеризуется сильной трещиноватостью и резкой изменчивостью фильтрационных параметров. Обводнение кимберлитовой трубки обусловлено наличием высоконапорного водоносного горизонта, залегающего на глубине 500 м. Пьезометрический уровень подземных вод 2 установлен на глубине 200-230 м. Ожидаемые водопритоки в карьер на конечной глубине отработки месторождения составляют 800 м 3 /ч. Вмещающие породы кимберлитовой трубки рассматриваются как относительный водоупор, т.е. коэффициенты фильтрации этих пород значительно ниже, чем в рудном теле. Таким образом, обводнение карьера, отрабатывающего рудное тело, будет происходить за счет вертикальной фильтрации подземных вод из водоносного горизонта по кимберлитовой трубке. По химическому составу рассолы водоносного горизонта являются сильноминерализованными подземными водами, преимущественно хлоридно-натриевого состава, с минерализацией до 250 г/л. Кроме того, в составе подземных вод присутствует целый ряд компонентов, представляющих промышленный интерес. Сброс вод такого состава в окружающую среду запрещен, кроме того, он недопустим из-за промышленного содержания солей тяжелых металлов в подземных водах. Поэтому такие способы, как поверхностный или подземный дренаж, не приемлемы для осушения этого месторождения. S 12401 32 6 Кимберлитовая трубка рассматриваегде А - 0,2 м/год (по данным пабора мого месторождения разрабатывается торных и натурных исследоваоткрытым способом. Проектная глубина ний) ; отработки месторождений карьером сосt = 50 лет. тавляет 400 м. С глубины 200.м отра- 5 М = ?4+0,2-50=34 м. ботка месторождения будет осуществС учетом мощности тампонажной заляться при постоянно увеличивающихся весы при ее сооружении из карьера с водопритоках подземных рассолов из глубины 150 м глубина скважин 4 для рудного тела. Для предотвращения поснагнетания глинистого раствора состатупления подземных вод в карьер, а ю вит 300 м. также с целью сохранения запасов подРадиус г распространения тампонажземных вод и охраны окружающей среды ного раствора из отдельной скважины сооружают тампонажную завесу 6 предопределяется из выражения ложенным способом. Кровля сооружаемой тампонажной 15 S . ~У» — (3) завесы располагается на глубине ? 420 м, т.е. на 20 м ниже проектной среднее раскрытие трещин, где конечной глубины отработки карьера, 22 S 22 =l 10" м; в зоне естественных температур рудноtQ - динамическое напряжение го тела минус 3,3 - минус 3,7 С. Там- 20 сдвига для принятого растпонажную завесу располагают ниже вора, ?0 =200 кг/см ; проектного контура карьера 3 с целью ftP - перепад давления при течепредотвращения нарушения сплошности нии тампонажного раствора завесы при проведении взрывных работ в трещинах горных пород, на конечной стадии отработки карьера,25 кг/см ; В качестве тампонажного раствора дР определяется из уравнения для создания тампонажной завесы используется замерзающий глинистый расгде Рм - давление, развиваемое насотвор, содержащий на 1 м глины 800 кг; сом в принятом оптимальном ФХЛС 40 кг; остальное - пресная вода.зо режиме, кг/см ; Добавка ФХЛС вводится в глинистый Р - гидростатическое давление раствор для снижения вязкости нагнестолба тампонажного раствотаемого раствора. Расчетную мощра, кг/см ; ность тампонажной завесы и параметры дР - потери напора при течении формирования определяют по методике, ,тампонажного раствора в приведенной в "Нормах технологическоскважине, кг/см 2 ; го проектирования" ВНТП6-76. Р к - напор подземных вод, кг/см Расчетная мощность R тампонажной Гидростатическое давление Р г опрезавесы 6 определяется из выражения деляется из выражения СРп.1 где о м а к р (2) - максимально наблюдаемое раскрытие трещин на уча=0,1 м; стке, 40 где Т 10 у - удельный вес тампонажного раствора, у =1,8 г/см ; Н - глубина скважины, Н=300 м. 1 ,8*300 _. . 2 Рг - < - ~ 54 кг/см . Prf - напор подземных вод, 45 Р,=300 м; J ml - прочность тампонажного Потери напора при течении тампо2 раствора,[Р т ]=0,50кг/см ; інажного раствора в скважине а,Рт опреtC - коэффициент запаса прочделяются из выражения ности тампонажной завесы, ,1-300 т п где D - диаметр скважины, D=0,108 м, 4.300-200 _,,„ „ __i к г / с м Необходимая мощность тампонажной 55 Давление Рн , развиваемое насосом завесы определяется из выражения (1 ) в оптимальном режиме, принимаем равИ равна ным Ю З кг/см , Тогда перепад давлеM-R+At, ния йР равен 7 1240132 аР-Р н +Р г -&Р т -Р к =103+54-22,2-30* =304 К Г / С М . Радиус г распространения тампонажного раствора из отдельной скважины» определяемой из выражения ( 3 ) , равен і • і сг; • 104 ' 26 м. 2 - 2 0 0 10- ? ~ Общая площадь рудного тела в интервале тампонажа равна 34000 м . Площадь, тампонируемая одной скважи- 10 ной, составит 2 г S=^r2=3,14-26 =2122 м . Тогда количество скважин п, необ ходимое для сооружения тампонажной завесы площадью 34000 м , равно 34000 п= 2122 =16 СКВ Затем определяем необходимый объем V тампонажного (глинистого) раствора V-WM'nvn, (7) 20 где ш т - скважинность {трещинная пустотность) в кимберлитовой трубке, щ г =2%. V=3,14.26* 34-0,02.16=23094 м \ 25 Сооружение тампонажной завесы осуществляют следующим образом. При обработке месторождения на глубине 150 м со дна карьера бурят тампонажные скважины глубиной 304 м. Участки добычных и буровых работ рас- 30 полагают раздельно с целью совмещения горнодобычных и тампонажных работ. Пробурив скважину, в ней выполняют гидродинамические исследования с целью детального определения фильтра- з$ ционных характеристик тампонируемого интервала. Исследования выполняют ч 8 с помощью пакерующих устройств, которые устанавливают на глубине 270 м. Кроме гидродинамических исследований в скважинах выполняют геофизические исследования: акустический каротаж, кавернометрию, инклинометрню и термометрию. Термометрические исследования требуются для определения температуры рудного тела в каждой скважине. Выполнив комплекс исследований» в тампонажную скважину (через пакерующее устройство) нагнетают 1443 м глинистого раствора, затем снимают пакер и заполняют скважину раствором до устья (ликвидационный тампонаж). Ликвидационный тампонаж выполняется с целью предотвращения поступления подземных вод из вышележащих пород. Затем начинают Тампонажные работы в следующей скважине. Выполнив работы по всем скважинам, через месяц бурят несколько контрольных скважин, вскрывающих тампонажную завесу, и делают в них исследования методом откачки. По результатам откачек в контрольных скважинах определяют фильтрационные свойства созданной тампонажной завесы. Месячный срок от окончания тампонажных работ до начала исследований в контрольных скважинах требуется для устойчивого промерзания всей тампонажной завесы. При использовании обычного глиноцементного раствора, применяющегося в условиях обводнения месторождений пресными водами, значительно снижаются затраты. Фиг. 2 ВНИИПИ Заказ 571/ДСП Тираж 301 Подписное Произв-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4