Новая технология обеспечения промышленной безопасности на обводненных месторождениях полезных ископаемых

© Ю.В. Пономаренко, Л.Н. Попов, В.И. Стрельцов, 2016

УДК 622.5

Ю.В. Пономаренко, Л.Н. Попов, В.И. Стрельцов

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

НА ОБВОДНЕННЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Показана сложность обеспечения промышленной безопасности в условиях освоения глубокозалегающих обводненных месторождений на примере Яковлевского рудника КМА. Представлены разработанный ОАО «ВИОГЕМ» высокоэффективный, экологически чистый и широко внедряемый способ осушения месторождений на основе систем восстающих дренажных скважин, сооружаемых из подземных горных выработок и эксплуатируемый в режиме постоянного снижения уровня вод дренируемого горизонта. Кратко описаны новые способы осушения открытых горных работ с помощью комбинированных дренажных устройств и многозабойных восстающих скважин.

Ключевые слова: обводненные месторождения, обеспечение промышленной безопасности, новый способ осушения месторождений, восстающие дренажные скважины, режим эксплуатации скважин, буровые установки, комбинированное дренажное устройство, многозабойные восстающие скважины.

Простые, приповерхностные и необводненные месторождения уже в прошлом столетии оказались отработанными. Поэтому со второй половины ушедшего века развитие минерально-сырьевой базы России и многих других стран связано с необходимостью разработки глубокозалегающих месторождений, относящихся к категории обводненных и расположенных под водными объектами. В рассматриваемых условиях проблема совершенствования способов осушения месторождений и обеспечения безопасности горных работ приобрели приоритетное значение [1].

В качестве убедительного примера можно привести сведения о совершенствовании способа защиты горных работ от обводнения по Яковлевскому месторождению богатых железных

руд КМА и Запорожскому железорудному комбинату (ЗЖРК) в Украине.

Яковлевское месторождение характеризуется весьма сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями. Руды залегают на глубине 550—600 м. В покрывающей толще содержится 7 водоносных горизонтов, в том числе:

• рудно-кристаллический горизонт, приурочен к рыхлым богатым рудам и вмещающим породам, который характеризуется высокими напорами и невысокими фильтрационными свойствами (кф « 0,12 м/сут.);

• непосредственно на рудах залегает основной водоносный горизонт в известняках карбона со средней проницаемостью 4,2 м/сут.

Впервые «Технический проект разработки Яковлевского месторождения» был составлен в 1959 г. и предусматривал отработку месторождения подземным способом системами с обрушением покрывающих пород. Для дренирования всех водоносных горизонтов с помощью поверхностного способа осушения, необходимо было соорудить 252 водопонижающей скважины, суммарный объем бурения по водопонижающим и наблюдательным скважинам превышал 1,6 млн погонных метров. Запроектированная система обеспечения безопасности отработки месторождения отличалась громоздкостью и целым рядом существенных недостатков, которые состояли:

• в необходимости бурения глубоких водопонижающих скважин большого диаметра, глубина которых достигала 600—700 м;

• в сложности конструкций скважин, пересекающих несколько водоносных горизонтов в покрывающей руды толще;

• в применении большого числа скважинных погружных насосов, что заметно снижало эксплуатационную надежность дренажной системы;

• в необходимости сооружения протяженных систем энергообеспечения, подъездных дорог и системы водоотведения на поверхности.

Весьма существенным недостатком запроектированной системы является необходимость оставление в водопонижающих скважинах значительного столба воды для охлаждения погружных насосов, что не позволяет достичь требуемого снижения уровня подземных вод. Первоначальный вариант дренажной системы не является водоохранным и удачным с экологической точки зрения. Осушение всех водоносных горизонтов привело бы к обезвоживанию больших прилегающих к руднику терри-

торий и загрязнению подземных вод в результате проникновения загрязнений с поверхности через устья водопонижающих скважин.

Выполненное опытно-производственные водопонижение позволило коренным образом пересмотреть ранее принятые технические решения по осушению Яковлевского месторождения [2]. Изучение гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов позволило расчленить геологический разрез месторождения на два гидравлически независимых комплекса — нижний и верхний, включающий все верхние водоносные горизонты до келловейских песков. К нижнему комплексу были отнесены рудно-кристаллический и карбоновый горизонты. Это позволило реализовать грандиозный шаг к упрощению системы осушения и отказаться от дренирования бат-байосского, сено-ман-альбского, туронского и маастрихтского водоносных горизонтов, сохранив их водные ресурсы для целей водообеспечения региона. Именно при выполнении проектных работ возникла мысль о необходимости совершенствования способа защиты горных работ от обводнения, а затем и идея ее реализации.

С целью предотвращения возникновения условий для проявления тиксотропных свойств обрушаемых песчано-глини-стых пород кровли и тяжелых последствий от их прорывов в горные выработки, принято решение о переходе на отработку системами с закладкой выработанного пространства.

В новом техническом проекте осуществлен переход на осушение месторождения новым способом, созданным институтом ВИОГЕМ, с помощью систем восстающих дренажных скважин,

Рис. 1. Схема защиты горных работ от обводнения с помощью замкнутого контура восстающих дренажных скважин 1 — водоупорные глины; 2 — обводненные известняки; 3 — руды; 4 — восстающие дренажные скважины; 5 — дополнительные боковые дренажные стволы; 6 — горная выработка

\

закладываемых из подземных горных выработок и эксплуатируемых в режиме постоянного уровня — при снижении уровня вод в скважинах до почвы дренируемого водоносного горизонта [3, 4] (рис. 1).

Промышленные испытания нового способа проводились в 1965—67 гг. на строящемся Запорожском железорудном комбинате № 1 (Украина). На месторождении непосредственно над продуктивной толщей залегают меловой и бучакский водоносные горизонты. Гидростатические напоры вод рудно-кристал-лического массива достигали 310—360 м.

Изначально осушение месторождения предусматривалось осуществить контурной установкой водопонижающих скважин глубиной от 220 до 460 м, при этом остаточные напоры на почву бучакских песков достигали 38—40 м, что не соответствовало требованиям безопасности ведения горных работ. В период проведения промышленных испытаний нового способа было пробурено 105 восстающих скважин с горизонта 400 м глубиной от 65 до 150 м, дебиты которых изменялись в пределах 15— 70 м3/ч. Новый способ позволил снизить остаточные напоры в бучакских песках до 2—5 м и обеспечить ввод рудника в эксплуатацию в плановые сроки.

Разработанный ВИОГЕМ способ обеспечения безопасности горных работ на глубоких горизонтах обводненных месторождений [5] характеризуется рядом весьма существенных преимуществ, которые состоят

1. В практически полном (примерно на 95%) отказе от необходимости бурения глубоких (300—700 м и более) водопонижа-ющих скважин. Так, на Яковлевском руднике вместо водопони-жающих скважин глубиной по 630 м, применяются восстающие дренажные скважины глубиной не более 160 м.

На Запорожском железорудном комбинате вместо водопо-нижающих скважин глубиной 330—460 м, сооружались восстающие скважины глубиной от 65 до 150 м. Аналогичная обстановка характерна и для других рудников.

2. В существенном упрощении конструкций дренажных устройств. На Яковлевском руднике водопонижающие скважины пересекают 4 водоносных горизонта (келловейский, волжский, сеноман-альбский и маастрихтский). На ЗЖРК № 1 скважины пересекали меловой и бучакский водоносные горизонты.

Важнейшим преимуществом созданного способа является соответствие предложенной технологии осушения требованиям «Экологической доктрины Российской Федерации» (2002) [5].

Последнее обусловлено тем, что восстающие скважины не выходят на поверхность и проникновение загрязнителей с поверхности полностью исключено. Способ также предусматривает раздельный сбор и отведение чистых и загрязненных рудничных вод.

К весьма важным элементам разработки относится примененный способ эксплуатации восстающих скважин в режиме постоянного в них уровня воды. Использование такого режима оказалось принципиально важным техническим решением, позволивших получить ряд важных результатов по повышению эффективности предложенного способа [4, 5, 6].

Одновременно с предложенной технологией осушения месторождений и разработкой теоретического обоснования его эффективности для реализации дренажных систем разработан параметрический ряд буровых установок, включающих 7 моделей (таблица, рис. 2).

Чрезвычайно важным шагом в разработке нового способа явилось создание буровой установки для сооружения восстаю-

Основные технические характеристики созданных буровых установок

№ п/п Параметры установок (основные) Наименование

УПБ-1М УДБ-8 УДБ-12 УДБ-9 УДБ-8-01 УДБ-8-01М УДБ-8-01-РВ

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1. Максимальный диаметр бурения, мм 151 190 151 190 151 151 190 151 190 250 151 190 151

2. Направление бурения к горизонту, град. 0-180 0-180 90±10 0-180 0-180 0-180 0-180

3. Частота вращения шпинделя, мин-1 0-230 0-140 0-96 0-140 0-170 0-1200 0-180

4. Ход подачи, мм 1380 1400 1500 925 1400 1400 1400

5. Диаметр буровых штанг, мм 73 89 89 89 89 73 89,73 63,50 89

6. Длина буровых штанг, мм 1200 1200 1200 900 1200 1200 1200

7. Год разработки буровой установки 19641979 19821984 19781982 19851990 19871991 20012002 20122013

Рис. 2. Базовая установка дренажного бурения УДБ

щих скважин во взрывоопасных условиях по пыли и газу (УДБ-8-01 РВ) [3]. Отмеченное существенно расширяет область применения способа за счет месторождений угля и кимберлитов и др., для которых характерны нефте- и газопроявления.

При осушении месторождений как правило системами восстающих скважин применяются в комбинации с горизонтальными дренажными скважинами, закладываемыми в борт карьера у почвы обводненной толщи и предназначенных для перехвата проскока подземных вод к борту карьера (рис. 3).

Итак, сооружение дренажных систем в сложных геолого-гидрогеологических условиях выполняется с трех уровней: с поверхности при проходке стволов и первоочередных горно-капитальных горных выработок, из подземных горных выработок и с уступов бортов карьеров [7].

Рис. 3. Бурение наклонно-восстающих дренажных скважин в борт карьера 144

К новым разработкам института также следует отнести многозабойные восстающие скважины [7]. Для предотвращения проскока подземных вод к борту карьера появилась возможность создания замкнутого дренажного контура. С этой целью из восстающих скважин предусмотрено бурение дополнительных боковых пересекающихся ответвлений из смежных восстающих скважин (рис. 1).

Для способа борьбы с проскоками вод рассмотрены две схемы создания замкнутого защитного контура:

• с помощью двухсторонних дополнительных стволов;

• путем бурения из каждой восстающей скважины одностороннего дополнительного ствола.

Теоретически предложенные схемы дренажа полностью исключают проскоки вод к бортам карьеров.

Новый способ осушения включен:

• во «Временную инструкцию по проектированию осушения месторождений полезных ископаемых» (1982);

• введен в СНиП 2.06.14-85 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» (Госстрой СССР, 1985);

• в «Пособие по проектированию защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод и водопонижения при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений» (Москва, ЦИТП, 1991);

• в подготовленный и изданный «Каталог единичных расценок на сооружение скважин в подземных условиях станками УПБ-1М и УДБ-8»;

• впервые в мировой практике подготовлен и издан «Справочник по осушению горных пород» [8].

Значительные проблемы с защитой глубоких горизонтов горных работ были сопряжены с отсутствием в стране предприятий, осуществляющих выпуск буровых установок для сооружения восстающих дренажных скважин. Для разрешения возникшей проблемы в 1989 г. при институте ВИОГЕМ в соответствии с приказом по Минчермету СССР за № 285 был создан хозрасчетный участок (с 2006 г. Управление горных и строительных технологий).

Полученные результаты исследований широко освещались в технической литературе, демонстрировались на выставках и международных форумах:

• в 1986 г. экспонировались на ВДНХ СССР (золотая медаль);

• в 1990 г. на 14-ом Всемирном горном конгрессе году в Китае;

• в 2006 г. в штате Западная Виргиния (г. Чарлстон), в крупнейшем угольном бассейне США, ВИОГЕМ успешно проведе-

на презентация разработанного способа осушения (см. Горный журнал, № 9, 2006).

Рассматриваемые технические решения докладывались на десяти Международных симпозиумах по теме «Осушение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1991—2015); на Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, планетологии и рационального природопользования» (2008).

В общем основные результаты работ по этому направлению опубликованы в 85 журнальных статьях и других изданиях.

В настоящее время новый способ осушения сложных месторождений нашел применение на 17 крупнейших добывающих предприятиях:

• в бассейне Курской Магнитной Аномалии — на Стойлен-ском, Лебединском и Михайловском ГОКах, на Яковлевском руднике, запроектирован на Приоскольском ГОКе;

• на Запорожском железорудном комбинате № 1 (Украина);

• на Качарском и Донском ГОКах, в Экибасстузском угольном бассейне (Казахстан);

• на ГОКах АК «Алроса»;

• на рудниках Норильской группы полиметаллических месторождений;

• на Кушаньском карьере в Китае;

• на урановых рудниках Северной Чехии и на других предприятиях.

Для предприятий институтом поставлено 128 буровых установок, которыми пробурено около 2000 восстающих скважин.

Суммарный экономический эффект, полученный предприятиями, превысил 3,2 млрд руб. (в ценах 2003 г.).

Резюмируя результаты цикла выполненных работ, следует подчеркнуть, что его авторами впервые в мировой практике, удалось создать эффективный экологически сбалансированный комплекс технологий и техники обеспечения безопасности горных работ на высокообводненных месторождениях полезных ископаемых, которые на «Неделе горняка—2006» отнесены к технологиям будущего [1].

Созданный способ осушения располагает огромной перспективой для применения в будущем, что обусловлено ростом глубин добычных горизонтов на действующих предприятиях, переходом в ближайшие года многих рудников на комбинированный открыто-подземный способ разработки месторождений

и освоением новых глубокозалегающих обводненных месторождений, а также применением разработанной буровой техникой для сооружения восстающих скважин, во взрывоопасных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Волков Ю.И., Изотов А.А., Пономаренко Ю.В. Осушение глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых системами восстающих дренажных скважин — технология будущего» / Сборник материалов «Неделя горняка—2006». — С. 175—184.

2. Чельцов М.И., Скиргело О.Б. Проект опытно-производственного водопонижения на Яковлевском месторождении КМА. — М.: ЦНИИ-горосушение, 1960.

3. Кузькин В.С., Тимошков И.А., Волков Ю.И., Пономаренко Ю.В., Изотов А.А., Титов В.Р., Жилин С.Н., Гайдук В.А. Теоретическое обоснование технологии бурения восстающих дренажных скважин и технологии вскрытия водоносных горизонтов / Материалы седьмого Международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». - Белгород: ВИОГЕМ, 2003. - С. 20-30.

4. Попов Л.Н., Стрельцов В.И., Изотов А.А. Обеспечение безопасности работ по защите горных выработок от обводнения на примере карьера Лебединского ГОКа КМА // Маркшейдерия и недропользование. - 2015. - № 1.

5. Пономаренко Ю.В., Волков Ю.И., Кузькин В.С., Ливерко О.А. Теоретическое обоснование и преимущества применения систем восстающих дренажных скважин на обводненных объектах / Материалы седьмого Международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях». - Белгород: ВИОГЕМ, 2003. - C. 30-45.

6. Пономаренко Ю.В., Кузькин В.С., Московченко Г.Ю. Патент РФ № 2478793. Способ защиты от обводнения глубоких рудников и шахт с помощью восстающих многозабойных дренажных скважин, 2013.

7. Пономаренко Ю.В. Способ осушения бортов глубоких карьеров с помощью систем комбинированных дренажных устройств // Горный журнал. - 2014. - № 7. - С. 52-54.

8. Справочник по осушению горных пород. - М.: Недра, 1984. -C. 576. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Пономаренко Юрий Викторович1 - кандидат технических наук,

лауреат Премии правительства РФ, научный консультант,

Попов Леонид Николаевич - горный инженер, зам. начальника отдела

по горному надзору, маркшейдерским и взрывным работам

по Белгородской области Ростехнадзора,

Стрельцов Владимир Иванович1 - доктор технических наук,

профессор, ведущий научный сотрудник,

1 ОАО «ВИОГЕМ», e-mail: viogem@mail.belgorod.ru.

UDC 622.5

Yu.V. Ponomarenko, L.N. Popov, V.I. Streltsov

NEW TECHNOLOGY OF GUARANTEEING OF INDUSTRIAL SECURITY AT WATERY DEPOSITS OF MINERAL RESOURCES

It is complexity of guaranteeing of industrial security in conditions of deeply occurring watery deposits on the example of Yakovlevskiy mine of Kursk Magnetic Anomaly. The method of drainage of deposist, elaborated by VIOGEM Open Joint Stock Company is represented, which is highly efficacious, ecologically pure and widely introduced. It's founded on systems of upward drainage bore-holes constructed from underground mining excavations and is exploited in the mode of constant decrease of the level of waters of a drained horizon. New methods of drainage of open mining works are described, which are carried out with the help of combined drainage devices and many-faced upward bore-holes.

Key words: watery deposits, guaranteeing of industrial security, a new method of drainage of deposits, upward drainage bore-holes, a mode of bore-holes exploitation, rigs, a combined drainage device, many-faced upward bore-holes.

AUTHORS

Ponomarenko Yu.V.1, Candidate of Technical Sciences, Scientific Consultant, Popov L.N., Mining Engineer, Deputy Head of Department for Mining, Surveying and Blasting Supervision in the Belgorod Region under the RF Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision, Strel'tsov V.I.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher, 1 OJSC «VIOGEM», Belgorod, Russia, e-mail: viogem@mail.belgorod.ru.

REFERENCES

1. Trubetskoy K.N., \folkov Yu.I., Izotov A.A., Ponomarenko Yu.V. Sbomik materialov «Nedelya gornyaka—2006» (Miner's Week-2006 Proceedings), pp. 175—184.

2. Chel'tsov M.I., Skirgelo O.B. Proekt opytno-proizvodstvennogo vodoponizheniya na Yakovlevskom mestorozhdenii KMA (Pilot project of water drawdown at Yakovlevsky deposit of the Kursk Magnetic Anomaly), Moscow, TsNIIgorosushenie, 1960.

3. Kuz'kin V.S., Timoshkov I.A., Volkov Yu.I., Ponomarenko Yu.V., Izotov A.A., Titov V.R., Zhilin S.N., Gayduk V.A. Materialy sed'mogo Mezhdunarodnogo simpozi-uma «Osvoenie mestorozhdeniy mineral'nykh resursov i podzemnoe stroitel'stvo v slozhnykh gidrogeologicheskikh usloviyakh» (Proceedings of VII International Symposium on Mineral Mining and Underground Construction in Complex Ground Conditions), Belgorod, VIOGEM, 2003, pp. 20-30.

4. Popov L.N., Strel'tsov V.I., Izotov A.A. Marksheyderiya inedropol'zovanie. 2015, no 1.

5. Ponomarenko Yu.V., Volkov Yu.I., Kuz'kin V.S., Liverko O.A. Materialy sed'mogo Mezhdunarodnogo simpoziuma «Osvoenie mestorozhdeniy mineral'nykh resursov ipodz,emnoe stroitel'stvo v slozhnykh gidrogeologicheskikh usloviyakh» (Proceedings of VII International Symposium on Mineral Mining and Underground Construction in Complex Ground Conditions), Belgorod, VIOGEM, 2003, pp. 30-45.

6. Ponomarenko Yu.V., Kuz'kin V.S., Moskovchenko G.Yu. Patent RU2478793, 2013.

7. Ponomarenko Yu.V. Gornyy zhurnal. 2014, no 7, pp. 52-54.

8. Spravochnikpo osusheniyu gornykh porod (Rock drainage manual), Moscow, Nedra, 1984, p. 576.