О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод

УДК 54: 622.26:556 [551.34]

О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод

С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов

Приведен краткий обзор традиционных способов изоляции горных выработок, пройденных в водоносных породных массивах от притока пластовых вод. Предложен принципиально новый, комбинированный подход снижения остаточного водопритока с наличием нефтебитумопроявлений и растворенных газов, основанный на использовании клатратных соединений.

Ключевые слова: горная выработка, пластовая вода, тампонаж, химическое упрочнение, клатраты, нефть, природные газы.

A brief review of traditional methods of isolation of mine workings, passed in the aquifer rock masses from the influx of formation water is done. We propose a fundamentally new, combined approach to reduce the residual water inflow with presence of petroleum-bitumen impurities and dissolved gases, based on the use of clathrate compounds.

Key words: mine workings, formation water, plugging, chemical hardening, clathrates, oil, natural gases.

При проходке горных выработок в водоносных и неустойчивых массивах применяют специальные способы их проведения, основанные на изменении физического состояния породного массива с целью его упрочнения и снижения водопроницаемости. К ним относятся тампонаж трещин приконтурного слоя вмещающих горных пород цементными растворами, химическое упрочнение и замораживание [1].

Из перечисленных способов самым простым, дешевым и экологически безопасным является способ цементации (тампонаж), но область его применения ограничена только породными массивами с большим раскрытием трещин. Из практики горного дела известно, что применение цементации неэффективно в тех случаях, когда размер трещин и пор в горных породах меньше 0,15-0,20 мм, так как в них не проникает цементный раствор, даже содержащий материал мелкого помола (30^50 микрон). Вязкость цементных растворов достигает 1^100 Па-с.

Тем не менее, по мере разработки различных добавок способ цементации постоянно совершенствуется, широко применяется в строительстве, горном деле, при возведении гидротехнических сооружений, плотин и т.д. Так, для улучшения реологических свойств, регулирования сроков схватывания, повышения седимен-тационной устойчивости и водонепроницаемости в цементный раствор вводят добавки и, таким образом, он переходит в разряд «цементационного раствора», который при затвердении

ФЕДОСЕЕВ Семен Михайлович - н.с. ИГДС СО РАН; ЛАРИОНОВ Владимир Романович - к.х.н., с.н.с. ИГДС СО РАН.

должен обладать необходимой прочностью, водонепроницаемостью, хорошей адгезией с горными породами, не взаимодействовать химически с цементируемыми породами и подземными водами. Основные технические требования, предъявляемые к цементационным растворам, приведены в работе [2].

К сожалению, в особо сложных горно-технических условиях проходки применение способа цементации не дает требуемых результатов или его использование становится затруднительным. К ним относятся: горные массивы с наличием тонкотрещиноватых пород (с раскрытием менее 0,1 мм), пористых песчаников, мелкозернистых водонасыщенных песков (плывуны), в которых из-за малых размеров трещин и пор, в том числе заполненных водой, цементные частицы проникают с трудом или не проникают вообще (ни под каким давлением). Этот способ неэффективен также при наличии глин и трещин, заполненных глинистым заполнителем, в которых во время нагнетания раствора образуются вязкие пробки, препятствующие дальнейшему движению цементационного раствора.

В таких случаях применяют более затратный и сложный в техническом исполнении химический способ упрочнения пород с использованием широкого спектра различных материалов. В частности используются химические растворы, не имеющие твердых частиц (истинные растворы), вязкость которых составляет порядка 10- Па-с, поэтому они проникают в поры и тонкие трещины так же легко, как и вода, вытесняют пластовую воду и заполняют их.

Например, нашел ограниченное применение предложенный в 1925 г. доктором Иостеном

(Германия) способ двурастворной силикатизации, основанный на цементирующей способности геля кремнекислоты, получаемого в результате обменной реакции между силикатом натрия (жидкое стекло) и солью (хлористый кальций) при их поочередном нагнетании в породный массив [3]. Недостатком такого способа является мгновенная реакция силиката натрия с хлористым кальцием с образованием плотного осадка, ввиду этого радиус проникновения растворов от скважин ограничен, особенно в мелкозернистых песках и пористых песчаниках. В дальнейшем с участием ряда авторов (Иостена, Лангера, Родио, Аскалонова, Лемар-Дюмонта, Ржаницына) разработан более совершенный способ однорастворной силикатизации, где в качестве коагулянта силиката натрия используются кислоты, кислые соли, алюминат натрия и другие реагенты, которые взаимодействуют медленно, и начало реакции поддается регулировке во времени после закачки смеси в скважины.

Необходимо отметить, что разработка однорастворной силикатизации явилась существенным прорывом в решении сложной, технически важной проблемы. В горном деле способ силикатизации самостоятельно используется редко. Как правило, он применяется в комбинации с цементацией. Однако известен случай успешного закрепления оттаявших грунтов, загрязненных отходами ГСМ, органическими соединениями и бытовыми стоками в 1996 г., при проведении шахты коллектора г. Якутска с применением силикатизации [4]. Применение в больших масштабах одно- и двухрастворной силикатизации в отдаленных регионах ограничено необходимостью завоза больших объемов реагентов.

В последнее время для упрочнения породных стенок горных выработок нашел распространение способ смолизации пород растворами кар-бамидных смол и полимерами фурфурольного типа, которые отверждаются кислыми отверди-телями [5]. Отвердители для указанных смол разделяются на две группы: менее активные вещества (щавелевая кислота, хлорное железо, персульфат аммония), позволяющие регулировать продолжительность процесса отвердения раствора, и весьма активные вещества, обеспечивающие, в зависимости от концентрации и состава наполнителей, как замедленное, так и быстрое отвердевание (от нескольких секунд до одних и более суток).

Широкое использование смол зачастую ограничивается специфическими крайне неблагоприятными горно-техническими и гидрологическими условиями породных массивов, вмещающих горные выработки. Так, при доставке

растворов смол (акриламида и гипана) в массив должен быть исключен контакт с минерализованной водой. На практике такую воду оттесняют пресной водой, при этом ее объем строго ограничивается для улучшения условий полимеризации раствора акриламида и коагуляции гипана. Необходимо отметить, что выполнение таких условий затруднено рядом факторов, ограничивающих использование этого способа. К ним относятся также их высокая стоимость, неблагоприятные санитарно-гигиенические условия при работе с ними, а также экологические проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду [6].

Более высокой надежностью, универсальностью и возможностью практического использования в любых сложных гидрогеологических условиях обладает способ предварительного замораживания водонасыщенных массивов. На практике этот способ довольно широко применялся при сооружении шахт, метрополитенов в СССР (Подмосковье, Ленинград, Баку) и за рубежом (ПНР, ЧССР, ФРГ и Голландия) [7].

Различают два вида замораживания: низкотемпературное и обычное.

Низкотемпературное замораживание применяют при проходке шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях, непрочных горных породах, содержащих термальные воды и естественные рассолы, когда требуются низкие температуры для их замораживания (температура хладоносителя до -45°С). Для его реализации требуются большие энергетические затраты на получение искусственного холода, в связи с чем этот способ относится к дорогостоящим.

Обычное замораживание горных пород используется при более благоприятных горногеологических условиях, например, в регионах криолитозоны, где породы имеют умеренно низкие температуры и не содержат естественные рассолы, а только замершие пресные воды (лед). В этом случае не требуется поддержание низких температур (ниже -25°С), что может быть обеспечено при одноступенчатой работе холодильных установок. Кроме этого преимуществом данного способа в условиях криолито-зоны является возможность использования естественного атмосферного холода в зимний период, а также запаса холода, аккумулированного в мерзлом массиве горных пород. К этому можно добавить также незначительные потери холода на коммуникационных линиях благодаря низким температурам атмосферного воздуха в зимний период.

Представляет научно-практический интерес принципиально новый подход к изоляции горных выработок криолитозоны от остаточного

водопритока с использованием молекулярных соединений, которые могут быть применены в комбинации с традиционной цементацией. На основе его были предложены способы изоляции горных выработок от вод с нефтебитумопрояв-лениями и содержащих растворенные газы метаново-азотно-сероводородного типа посредством синтеза твердых молекулярных соединений решетчатого типа (клатрат), синтезируемых прямо в поровом пространстве горных пород массива с использованием климатических и геокриологических особенностей региона, а также природных материалов [8, 9]. Термин «клат-рат» происходит от латинского слова «с1а1га1;ш» (клетка, замкнутый, окруженный со всех сторон) и подчеркивает природу таких соединений. Впервые в ИГДС СО РАН проведены исследования возможности применения в горном деле двух представителей обширного класса данных соединений - клатратов мочевины и водных клатратов газов (газовые гидраты), а именно для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод.

По всеобщей классификации веществ клатра-ты относятся одновременно к двум классам соединений (не химическим): молекулярным кристаллам и нестехиометрическим соединениям включения. Клатраты характеризуются общей формулой:

М т М2,

где т - число молекул хозяина (М2), образующего решетчатый каркас, приходящихся на одну молекулу гостя (М1), внедренного в полости каркаса, и определяет состав клатрата. Химическая связь между молекулами хозяина и гостя отсутствует кроме молекулярных.

Благодаря кристаллическому строению клат-ратов впервые открывается возможность применения нового класса веществ - молекулярных кристаллов в горном деле, как для упрочнения породных стенок, так и изоляции горных выработок от остаточных водопритоков. Например, для изоляции горных выработок от притока нефтесодержащих подземных вод предложен оригинальный способ, включающий синтез клатратов мочевины в пластовых трещинах [8]. В этом случае используемая в качестве моле-кул-хозяина мочевина имеет решетчатый каркас канального типа и не обладает токсичностью, хорошо растворима в воде, не оказывает негативного воздействия на горные породы. Нормальные алканы (парафины), входящие в состав нефтесодержащих вод, начиная с С4Н10 и выше, внедряются в полости решетчатого каркаса мочевины и придают им стабильность, образуя твердые кристаллические соединения, определяемые следующим выражением:

СН2П+2 + т

где т - число молекул мочевины, приходящееся на одну молекулу алкана; п - натуральное число, равное числу атомов углерода в парафине >4.

Клатратные соединения мочевины с нормальными алканами представляют собой твердые кристаллические вещества, обладающие повышенной механической прочностью и адгезией, не агрессивны к горным породам, безопасны в обращении, стабильны в высокоминерализованной водной среде.

На основе анализа результатов лабораторных исследований, проведенных в ИГДС СО РАН и особенностей эксплуатации противофильтраци-онной глиноцементной завесы (ПФЗ) карьера «Мир» обоснована возможность устранения остаточного водопритока посредством синтеза в поровом пространстве массива горных пород газовых гидратов [9].

Этот способ рекомендуется к реализации на практике в комбинации с традиционной цементацией с использованием разработанного специалистами «Союзтампонажгеология» глиноцементного раствора, который обладает относительно высокой стабильностью, седиментаци-онной устойчивостью (малой водоотдачей), быстрым ростом пластичности во времени, и предназначен для тампонажа трещин с раскрытием более 0,1 мм. Практика эксплуатации ПФЗ карьера «Мир» показала, что из общего объема горного массива в контуре завесы этим глинисто-цементным раствором тампонируется примерно 1,3%, что составляет десятую часть пористости пород метегеро-ичерской свиты, которая, по данным геологоразведочных работ, составляет 12,9% [10].

Таким образом, для достижения проектного коэффициента фильтрации 0,0014 м/сут (Кпрон& «9-10"4 мкм2) через тело ПФЗ необходимо залечить микротрещины и поры с просветом 10"4^10"8 м, куда, к сожалению, не проникает цементационный раствор, но способны проникнуть природные газы, образующие газовые гидраты.

Низкие температуры горного массива алмазоносных месторождений РС (Я), высокие пластовые давления создают благоприятные условия для синтеза газовых гидратов, где в качестве молекул-гостей выступают гидратообразующие компоненты природных газов (метан и его гомологи до С4). Газы обладают проницаемостью на несколько порядков выше, чем цементационный раствор, и легко проникают в микротрещины и поры (вязкость газов составляет порядка 10-6 Пас). Газовые гидраты синтезиру-

ются непосредственно в поровом пространстве многолетнемерзлых пород при закачивании га-за-гидратообразователя в водонасыщенный массив, при этом учитываются и рационально используются естественные гидрогеологические условия разрабатываемого месторождения и природные материалы. Растворенные в водах метегеро-ичерского водоносного комплекса газы метано-азотно-сероводородного типа включаются в состав твердых кристаллов газовых гидратов, которые имеют состав, выражаемый формулой:

16

При этом 1 объем воды поглощает до 220 объемов газа в нормальных условиях.

При залечивании трещин и закупорке порово-го пространства водными клатратами происходит связывание крайне опасного газа-сероводо-рода, тем самым исключается попадание его в рудничную атмосферу.

Заключение

Таким образом можно отметить, что открытый в 1947-1948 гг. английским ученым Г.Пауэлл новый класс молекулярных соединений включения - клатраты, как стало известно в последнее время, играет большую роль в природе - при построении биологической материи, обмене веществ в живых организмах, распределении органических веществ между атмосферой и гидросферой, формировании залежей природного газа и нефти. Они нашли широкое применение в разных областях человеческой деятельности таких как: медицина, тонкая очистка, разделение и выделение веществ, проведение уникальных стереоспецифических синтезов, нефтегазовая промышленность и т.д. Кроме этого, они могут найти применение на горных предприятиях Севера, что подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных в ИГДС СО РАН.

Предметом дальнейших исследований в данном направлении станет подбор не дорогих по

стоимости и безопасных в обращении реагентов для синтеза более термодинамически устойчивых в условиях криолитозоны клатратных соединений.

Литература

1. Тампонаж обводненных горных пород: справ. пособие / Сост.: Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Луш-никова. - М.: Недра, 1989. - 318 с.

2. Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок: монография / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.

3. Логачев, Н.Т. Цементация горных пород в шахтном строительстве / Н.Т. Логачев, И.Н. Фролов, А.А. Шилин. - М.: Недра, 1995. - 250 с.

4. Зюзин, Ю.М. Химическое закрепление оттаявших грунтов, загрязненных отходами ГСМ, органическими соединениями и бытовыми стоками / Ю.М. Зюзин // Труды II научно-практической конференции по проблеме градосферы и риска техногенных и стихийных катастроф.- Якутск, 1998. - Т.2. - С. 88-91.

5. Заславский, Ю.З. Инъекционное укрепление горных пород / Ю.З. Заславский, Е.А. Лопухин, Е.Б. Дружко, И.В. Качан. - М.: Недра, 1984. - 176 с.

6. Юмадинов, А.Ю. Изоляция пластовых вод / А.Ю. Юмадинов. - М.: Недра, 1973.- 111 с.

7. Морозов, М.Н. Совершенствование искусственного замораживания при проходке шахтных стволов / М.Н. Морозов.- М.: Недра, 1973.- 96 с.

8. Патент РФ №2012775 МКИ Е21 В33/138. Способ изоляции горных выработок от притока подземных вод, содержащих нефть / В.Р. Ларионов, С.А. Апросимова, С.М. Федосеев; опубл. 15.05. - 1994. -Бюл. №9.

9. Федосеев, С.М. Способ уменьшения остаточного водопритока в горные выработки через глиноцементную противофильтрационную завесу (ПФЗ) / С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов // Горн. информ.-ана-лит. бюл. - 2005. - № 11.

10. Отчет о результатах детального изучения основных гидрогеологических параметров вмещающих пород трубки «Мир» (1975-1976 гг.). - Мирный, БГРЭ, 1976.

Поступила в редакцию 12.05.2012