СПОСОБ ОСУШЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
DEHYDRATION METHOD OF MINERAL DEPOSIT

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для утилизации дренажных вод при подземной разработке месторождения полезных ископаемых, залегающих под водоносным горизонтом.
Известен способ осушения месторождения полезных ископаемых (SU 977582, E02D 19/10, 30.11.1982), включающий сбор вокруг месторождения подземных вод с образованием депрессионной воронки, отвод их от месторождения, бурение водопоглощающих скважин в одну линию перпендикулярно радиусу депрессионной воронки и введение в них свободным наливом подземных вод с возвращением последних к месторождению по водоносному горизонту с частичной задержкой за счет образования линейной зоны пониженной водопроницаемости. Недостаток известного способа состоит в том, что он экономически неприемлем при подземной разработке месторождения.
Известен принятый в качестве прототипа способ восстановления гидрологических режимов горнодобывающих предприятий (RU 2293819, E02D 19/06, 20.02.2007). Он включает сбор подземных вод вокруг зоны разработки месторождения с образованием депрессионной воронки, очистку, аккумуляцию в подземном водосборнике и подачу в водоносный пласт, причем подачу аккумулируемого шахтного притока производят с помощью шахтного водоотлива в промежуточный отстойник (подземный или наземный), расположенный за границей депрессионной воронки в направлении линии, падения водоносного пласта, обеспечивая защиту от возврата воды в действующие горные выработки. Недостатком этого известного способа является повышенная стоимость эксплуатации и пониженная экологическая надежность, так как необходимо строительство промежуточных отстойников, а из-за необходимости подачи аккумулируемого шахтного притока за границу депрессионной выработки требуется значительная протяженность трубопроводов, к тому же на участке обратной закачки напоры достигают значений, превышающих экологически допустимые величины и рабочее давление обычно применяемых насосов.
Задача изобретения состояла в создании такого способа осушения месторождения полезных ископаемых, который позволял бы обеспечить экологически безопасную утилизацию техногенных дренажных вод за счет замкнутого их оборота в самом процессе осушения при повышении промышленной безопасности и снижении стоимости реализации.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата способ осушения месторождения полезных ископаемых включает сбор подземных вод по крайней мере вокруг зоны разработки месторождения с образованием депрессионной воронки, их очистку, аккумуляцию в подземном водосборнике и подачу части аккумулированного притока с помощью шахтного водоотлива на поверхность с последующей инфильтрацией в водоносный горизонт.
з
о
3
о
Отличительной особенностью патентуемого способа является то, что бурят с поверхности вокруг контура разработки месторождения в пределах депрессионной воронки закачные скважины и закачивают через них в водоносный горизонт поднятые на поверхность подземные воды, причем обеспечивают такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q был меньше дебита откачки Q, а напоры Н подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров H вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий
з
о
з
о.
Q<Qи H<H
Предлагаемое изобретение поясняется: а) чертежами, где изображено:
на фиг.1 - способ осушения месторождения полезных ископаемых, фаза окончания проходки замкнутой вокруг трубкообразного месторождения подземной выработки (часть вертикального разреза);
на фиг.2 - то же, фаза окончания сооружения закачных скважин (часть вертикального разреза);
на фиг.3 - то же, фаза работы системы осушения после сооружения дренажных скважин (часть вертикального разреза);
на фиг.4 - то же, разрез А-А на фиг.3 (в увеличенном масштабе);
на фиг.5 - то же, вид Б на фиг.3;
на фиг.6 - то же, гидродинамическая схема прогнозных уровней подземных вод при осушении трубкообразного месторождения по расчетным данным численного моделирования методом конечных элементов;
б) таблицей (Гидродинамические параметры, принятые при расчете).
Предлагаемый способ осушения, например, трубкообразного месторождения полезных ископаемых состоит в создании дренажной системы и в обеспечении определенного режима ее функционирования.
Создание дренажной системы включает нижеследующее.
После проходки двух шахтных стволов 1 и 2 (фиг.1), пересекающих основной водоносный горизонт 3, и горизонтальной подготовительной выработки 4 в дренируемом водоносном горизонте 5 проходят дренажную выработку 6, замкнутую вокруг трубкообразного месторождения 7 полезного ископаемого (руды) 8.
С дневной поверхности 9 (фиг.2) бурят с помощью известного бурового оборудования вокруг месторождения 7 (вокруг его контура 7а разработки в пределах будущей депрессионной воронки) закачные скважины 10 с пересечением наносных пород 11 и водоносного горизонта 3. Закачные скважины 10 оборудуют обсадными трубами 12 с фильтрами 13 (в зоне водоносного горизонта 3).
Из дренажной выработки 6 (фиг.3 и 4) бурят веера 14 восстающих водосбросных скважин 15 в дренируемом водоносном горизонте 5, оборудуют их фильтрами 16 и кондукторами с запорной арматурой (на чертеже не показаны). Последние гидравлически соединяют с проложенным по дренажной выработке 6 коллектором 17, связанным с помощью проходящего по подготовительной выработке 4 трубопровода 18 с зумпфом 19 шахтного ствола 1.
Соединяют обсадные трубы 12 (фиг.5) с замкнутым наземным трубопроводом 20, а последний - с трубопроводом 21, часть 21а которого проложена по дневной поверхности 9, а вторая часть (вертикальная) 21б размещена в шахтном стволе 1 и представляет нагнетательный трубопровод шахтного водоотлива (насоса 22, связанного с зумпфом 19 всасывающей трубой 23 с фильтром 24).
Функционирование созданной дренажной системы заключается в следующем.
з
о
3
о
з
о
з
о
При работе дренажной системы осуществляют сбор подземных вод 25 по крайней мере вокруг зоны 26 разработки месторождения 7 с образованием депрессионной воронки 27, их очистку и аккумуляцию в подземном сборнике (зумпфе 19) и подачу части 28 аккумулированного притока на поверхность 9 по трубопроводу 21 шахтного водоотлива (с помощью насоса 22) в замкнутый трубопровод 20. После чего поднятые на поверхность подземные воды через закачные скважины 10 закачивают в водоносный горизонт 3 (в пределах депрессионной воронки 27), обеспечивая их инфильтрацию с зоной 29 распространения утилизированных таким образом дренажных вод, не выходящих за пределы депрессионной воронки 27. При этом обеспечивают такой режим закачки, чтобы дебит закачки Q был меньше дебита откачки Q, а напоры H подземных вод в области распространения закачиваемых вод были меньше напоров H вне этой области, т.е. обеспечивают соблюдение условий Q<Q и H<H.
Эффективность предлагаемого способа осушения месторождения полезных ископаемых, обеспечивающая утилизацию дренажных вод для реально возможной ситуации, подтверждена расчетным путем с помощью численного моделирования методом конечных элементов (программа MODFLOW пакета GMS 6.5). Период прогнозного моделирования составлял 25 лет.
Пример расчета
Исходные условия (фиг.6)
Отрабатываемое месторождение полезных ископаемых находится на глубине 600…650 м от поверхности земли (абс. отм. - 390… - 440 м) и приурочено к обводненным породам (водоносный горизонт 30). Средняя абсолютная отметка статистического уровня подземных вод в водоносном горизонте 30 составляет 150 м. Водоносный горизонт 30 отделен от питающего водообильного водоносного горизонта 31 толщей слабопроницаемых отложений 32. Средняя абсолютная отметка статического уровня подземных вод в водоносном горизонте 31 составляет 150 м. Гидродинамические параметры водоносных горизонтов 30 и 31, а также разделяющего слоя 32 даны в таблице.
Радиус контура питания водоносных горизонтов (30 и 31) 12,5 км, приведенный радиус дренажной системы 150 м, приведенный радиус площадной закачки дренажных вод 250 м.
0
3
Начальные условия для уровня подземных вод приняты по результатам моделирования задачи для стационарных условий при работе дренажной системы с дебитом откачки Q=682 м/ч без обратной закачки дренажных вод.
На внешней границе области фильтрации задано постоянное значение уровня подземных вод Н=+150 м.
Результаты моделирования (на фиг.6 уровень подземных вод в верхнем или нижнем водоносном горизонте имеет обозначения «а» или «б» при цифре):
о
3
установившийся уровень при дебите дренажной системы Q=682 м/ч без обратной закачки (кривые 33а и 33б),
з
3
уровень через 1 год при дебите закачки Q=500 м/ч (кривые 34а и 34б),
з
3
установившийся уровень при дебите закачки Q=500 м/ч (кривые 35а и 35б).
3
3
3
Приток к дренажной системе увеличился за счет закачки дренажных вод на 10 м/ч, питание горизонта с внешних границ уменьшилось на 490 м/ч. Объем утилизированных вод составил 600 м/ч или 72% от откачиваемых объемов. Область распространения закачиваемых дренажных вод в верхнем водоносном горизонте локализована в области радиусом R≈700 м.
Использование изобретения позволит повысить экологическую безопасность горнодобывающих предприятий за счет исключения расстояния доставки закачиваемых дренажных вод за пределы депрессионной воронки и промышленной безопасности за счет полного перехвата дренажных вод.
Изобретение позволяет снизить стоимость работ по осушению месторождения, так как исключается надобность в сооружении аккумулирующих водосборников и трубопроводов значительной протяженности, а также понижаются энергетические затраты на закачку дренажных вод (подача дренажных вод прямо в зону депрессионной воронки осуществляется без роста напоров выше естественных значений, существовавших до начала откачки).
Утилизация подземных вод возможна при использовании изобретения и в случае разработки месторождения ниже затопленной горной выработки, например карьера, непосредственно в пределах глубокой части депрессионной воронки, вызванной осушением месторождения.
Таблица
Гидродинамические параметры, принятые при расчете
Водоносный горизонт
Мощность, м
Коэффициент фильтрации, м/сут
Коэффициент упругоемкости, 1/м
Коэффициент упругой водоотдачи
Верхний (31)
80
10
2,5·10<sup>-4</sup>
0,002
Нижний (30)
50
0,1
2,0·10<sup>-5</sup>
0,001
Разделяющий слой (32)
10
0,0005
1,0·10<sup>-5</sup>
0,0001