СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ОБВОДНЕНИЯ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ И ШАХТ С ПОМОЩЬЮ ВОССТАЮЩИХ МНОГОЗАБОЙНЫХ ДРЕНАЖНЫХ СКВАЖИН
METHOD OF PROTECTION AGAINST LOGGING OF DEEP MINES AND PITS WITH RISING MULTIBRANCH DRAINAGE WELLS

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.
3
3
3
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 м/ч при общем притоке 5650 м/ч. По варианту с применением восстающих скважин с дополнительными боковыми стволами проскок подземных вод в карьер не будет превышать ~550 м/ч.