СПОСОБ ТЕХНОГЕННОГО ЭПИГЕНЕЗА ТАМПОНИРОВАНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМЫХ УЧАСТКОВ ИЛИ ЗОН В СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF ANTHROPOGENIC EPIGENESIS OF BACKFILLING WATER PERMEABLE AREAS OR ZONES IN SALT ROCK

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для снижения водопроницаемости горных пород, обводненности горных выработок и прорывоопасности.
Цель изобретения - обеспечение безопасности ведения подземных горных работ при сохранении благоприятной экологической обстановки и качества полезного ископаемого на солерудниках, разрабатывающих хорошо растворимые в воде полезные ископаемые (сильвин, галит, карналит и др.), а также снижение затрат на проведение тампонажных работ.
Как в прошлом, так и в настоящее время отработка соляных месторождений часто сопровождается возникновением зон повышенной водопроницаемости с различной интенсивностью водопроявлений - от капежа на начальной стадии до катастрофических прорывов, нередко завершающихся затоплением горных выработок и потерей добычного участка (камеры).
Причинами возникновения таких зон могут быть:
- тектонические процессы, сейсмическое воздействие;
- деформации пород потолочины горных выработок под влиянием выемки полезного ископаемого;
- буровзрывные работы;
- разрушение целиков и др.
Известно, что в настоящее время при проведении тампонажа участков водопроявлений для снижения проницаемости пород и предотвращения дальнейшего развития карстовых явлений на солерудниках применяется широкий арсенал тампонажных составов. К ним относятся растворы на основе: портландцемента, глиноземистого и магнезиального цементов, глин, глиноцементных смесей (Н.Г.Трупак «Цементация трещиноватых пород в горном деле». М., «Металлургиздат», 1956). Для этих целей также применяются синтетические смолы КМ-3, разбавленные насыщенным раствором хлористого калия (Б.А.Ржаницын «Некоторые итоги работ в области химического закрепления грунтов». Материалы VIII Всесоюзного совещания, Киев, Изд. «Буддвельник» 1971), карбамидно-лигниновые составы, меламиноформальдегидные смолы (Ю.Г.Старцев «Гидроизоляция горных выработок калийных и соляных рудников синтетическими смолами». В сб. «Технология подземных разработок калийных месторождений», Пермь, 1988), а также растворы (суспензии, аналогичные глиноцементным), приготовляемые из порошков NaCl или КСl (Патент ГДР №252029 "Инъекционный способ тампонирования трещиноватой и пористой соленосной породы" 1987).
Указанный способ выбран в качестве прототипа.
Существенными недостатками известных способов снижения водопроницаемости соляных пород 1 и защиты подземных горных выработок 2 от подземных вод являются:
- повышенная вязкость используемых при тампонаже композиций;
- небольшие радиусы закрепления водоносных пород;
- засорение продуктивных пластов закрепляющими составами, снижение качества полезного ископаемого;
- ухудшение экологической обстановки на месторождениях вследствие применения синтетических растворов;
- подверженность тампонажных составов агрессивному воздействию среды;
- высокая стоимость используемых для тампонажа композиций и их доставки.
Отмеченные недостатки в особенности отрицательно проявляются при разработке месторождений различных солей, которые характеризуются хорошей растворимостью. В таких условиях появление в горных выработках даже незначительного капежа является предвестником прорыва подземных вод.
С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ, основанный на свойстве многих солей снижать свою растворимость в воде с понижением ее температуры и свойстве пересыщенных растворов при контакте с твердой фазой растворенной соли избыток соли выделять в осадок.
На глубине расположения возникших зон повышенной водопроницаемости 3 в условиях более низких температур (10°-15°) насыщенные растворы переходят в пересыщенные и избыток соли будет выкристаллизовываться и осаждаться на стенках трещин и пор, являющихся путями фильтрации подземных вод, и снижать их водопроницаемость. В итоге фильтрующий участок продуктивного пласта окажется затампонированным и водонепроницаемым.
Насыщенные растворы солей, используемых для кольматации трещин, приготовляются на поверхности и в летнее время не требуют подогрева. В приготовленные растворы для ускорения процессов кристаллизации по предлагаемому способу предусматривается добавление порошка мелкого помола растворенной соли.
При температурах, близких к условиям, в которых приготовляются растворы солей на поверхности (20°-25°), добавки хлористого натрия не должны превышать 5%. Увеличение количества добавляемой в раствор соли замедляет процессы структурообразования и кристаллизации (Булатов А.И. «Тампонажные материалы и технология цементирования скважин», раздел «Приготовление засоленных тампонажных растворов» М., «Недра», 1977). С целью предотвращения снижения проникновения соляного раствора, содержащего твердые частицы соли, в тонкие трещины добавление соли необходимо ограничить 1%-2% от растворенной соли.
Добавка (иногда употребляют термин «затравка») предназначена для того, чтобы частицы порошка стали центрами кристаллизации соли, выпадающей в осадок в условиях понижения температуры закачиваемого в недра раствора, и в то же время не повлияли на вязкость или подвижность соляного раствора.
В зону кольматации раствор соли подается через нагнетательные инъекторы 4.
Поскольку вязкость истинных растворов солей (~1,05-1,2 сП) незначительно отличается от вязкости воды (1 сП), то радиусы распространения кольматирующих составов достаточно велики и достигают 20-30 метров, что является главным преимуществом заявленного способа.
На практике в зону повышенной фильтрации 3 при разности температур на поверхности (20°-25°) и на глубинах залегания соляной толщи (10°-15°) с каждым кубометром закачиваемого насыщенного раствора соли реально может быть доставлено: галита - 50 кг; сильвина - 60 кг, мирабилита 320 кг, эпсомита - 100 кг.
Для увеличения растворимости солей могут применяться: повышение температуры (нагрев) воды, добавки, омагничивание воды, выпаривание, изменение рН и др.
При использовании пересыщенных растворов или природных рассолов количество подаваемых солей в зону тампонирования существенно возрастает, что позволяет завершать тампонажные работы в более сжатые сроки. При этом могут быть использованы естественные рассолы, которые часто имеются на соляных месторождениях.
Важным результатом тампонажных работ является восстановление над фильтрующей зоной слоя рассолов, который препятствует поступлению в зону пресных слабоминерализованных вод и не допускает возобновления процесса растворения соляного пласта.
Предлагаемый способ особенно эффективен на начальной стадии водопроявления в горной выработке, когда процесс интенсивного карстования соляного массива еще не получил развития.
Омоноличивание трещиноватого массива соленасыщенными растворами по существу является процессом техногенного эпигенеза, представляющего собой вторичный процесс осаждения полезного ископаемого в трещинах соляного массива и их цементацию.
Основные технологические операции разработанного способа тампонирования водопроницаемых участков горных пород состоят:
1) в установлении и оконтуривании водопроницаемых зон 3;
2) в бурении и оборудовании инъекционных 4 и наблюдательных скважин (не показаны) на участке 3 с повышенной водопроницаемостью массива;
3) в приготовлении насыщенного раствора соли с добавлением 1%-2% порошка растворенной соли;
4) в закачке раствора соли в зону повышенной водопроницаемости;
5) в проведении гидрогеологических наблюдений за изменением интенсивности водопроявлений в горных выработках и формированием защитного слоя рассолов в контактной зоне (в верхней части соляной толщи);
6) в проведении ликвидационного тампонажа инъекционных скважин после завершения тампонажных работ.
Технические результаты, которые могут быть получены при использовании изобретения:
- возможность использования для тампонажа солей, добываемых на месторождении, то есть кольматантов, не требующих доставки;
- исключение засорения полезного ископаемого и снижения качества продукции соледобывающего предприятия;
- сохранение сложившегося на месторождении экологического равновесия;
- отсутствие необходимости проведения последующего тампонажа, поскольку выпадающие в трещинах соли не отличаются по составу и свойствам от тампонируемых пород и не отслаиваются;
- применяемые соли (кольматанты) не подвержены агрессивному воздействию тампонируемых пород и рассолов;
- увеличение радиуса тампонажа за счет низкой вязкости применяемых растворов солей;
- сокращение числа инъекционных скважин по сравнению с технологиями, использующими малоподвижные суспензии (цементные растворы и др.);
- возможность создания противофильтрационных завес при значительной протяженности участков с повышенной водопроницаемостью;
- простота выполнения тампонажных работ по предлагаемому способу.
Следует подчеркнуть, что в качестве кольматантов не могут быть использованы слаборастворимые соли и соли, растворимость которых в воде практически не падает при снижении температуры растворителя, например бишофит, гипс, и др.
При выравнивании температур между закачиваемыми растворами и тампониируемыми породами в призабойной зоне инъектора процесс кольматации трещин прекращается. Поэтому на заключительном этапе работ участок ограниченных размеров незакрепленных пород тампонируется суспензией из порошка соли в ее насыщенном растворе (патент ГДР №252029).
Практическое применение заявленного изобретения иллюстрируется на следующем примере.
Соляной купол разрабатывается подземным способом. Надсоляные отложения представлены аллювиальными суглинками, песками и глинами общей мощностью 18-20 м. Песчано-глинистая толща залегает на поверхности контактной зоны («гипсовой шляпы»), которая включает глинисто-гипсовые выветрелые породы и верхний слой закарстованных солей средней суммарной мощностью до 10 м.
3
3
3
При отработке северной части камеры №7 в потолочине появился интенсивный капеж, а из нижних шпуров отмечался выход рассолов с запахом сероводорода. Общий дебит рассола не превышал 3 м/час. Изначально предполагали, что в горную выработку поступает «маточный рассол», однако через три дня дебит поступающего рассола увеличился до 4 м/час и его плотность заметно снизилась, что свидетельствовало о проникновении через зону фильтрации пресных вод из покрывающих отложений. Рассол выходил с напором ~70 м вод. столба. Размеры зоны водопроявления в камере приблизились по протяженности к 30 м. Для ликвидации поступления воды в камеру, предупреждения развития процесса карстования солей и прорыва воды на зону повышенной водопроницаемости в ее центре была срочно пробурена с поверхности инъекционная скважина глубиной 72 м и конечным диаметром 46 мм, в которой был установлен фильтр на всю водопроницаемую надкамерную толщу солей. Скважина проходилась вращательным способом с промывкой соляным рассолом. Насыщенный раствор соли с добавкой порошка той же соли нагнетался через инъектор с расходом ~0,5-1 м/час под давлением около 10 атм.
3
3
В качестве раствора использовался рассол (рапа из озера Тузлучное), имеющий плотность 1,245 г/см и температуру 23-25°С. В рассол добавлялась соль до полного его насыщения. Учитывая полисолевой состав продуктивной толщи, содержание солей в 1 м раствора удавалось довести до 370 кг.
3
Раствор соли приготовлялся в обычной глиномешалке, из которой он сливался в отстойный резервуар. При нагнетании раствора в кольматируемую зону в него через дозатор добавляли до 1% порошка соли. Попадая в тампонируемую зону соляного пласта, температура раствора снижалась до 10-12°С, в результате чего насыщенный раствор переходил в состояние пересыщенного, из каждого м закаченного раствора выпадало в осадок около 50 кг соли, которая выкристаллизовывалась на стенках водопроводящих трещин, снижая их водопроницемость.
Через трое суток интенсивность капежа стала заметно снижаться, а по истечении 8 суток выход воды практически прекратился.
Нагнетательная скважина была ликвидирована путем создания в стволе соляной пробки, а в верхней части - из глиноцементной смеси. В целом работы по кольматации зоны повышенной водопроницаемости практически были завершены за 10 суток.
Таким образом, трещиноватая зона водопроявления, имевшая размеры в плане до 30 м, была затампонирована через одну инъекционную скважину, то есть радиус закрепления соляной породы реально превысил 15 м. При использовании известных составов - цементных, глинистых и соляных «растворов» (суспензий, замесов) для решения той же задачи потребовалось бы бурение не менее 10 инъекционных скважин.