СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОДВИЖЕНИЯ ФРОНТА ЖИДКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
PREVENTION METHOD OF LIQUID CONTAMINATIONS FRONTAL ADVANCE IN FORMATION MASSIF

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и х другим отраслям, где возможно загрязнение окружающей среды жидкими составами.
Из современного технического уровня известно применение гидрозавес для предотвращения загрязнения грунтовых вод различными стоками, содержащими вредные ингредиенты, фильтрационными потерями из накопителей жидких отходов производства (Макунев М.Н., Проживин В.В., Способ предотвращения загрязнения грунтовых вод. Патент Российской Федерации 2052575, дата публикации формулы изобретения 1996.01.20).
Известны также аналогичные изобретения: Патент Японии № 45-38034, кл. 88 В1, 1971; Авторское свидетельство СССР № 1030469, Е02В 3/16, 1983; Авторское свидетельство СССР № 1382901, кл. Е02В 3/16, 1988, Патент РФ № 2163957 С2, 7 Е03В 3/06, 1999, содержащий «Способ ликвидации загрязненных подземных вод», а также работа Короткевича Г.В. Охрана подземных вод и управление их режимом путем применения методов гидрозавесы и пневмокольматажа. «Вести Ленинградского университета», 1976, № 18.
В качестве прототипа по совокупности существенных признаков выбран способ сооружения гидрозавесы для предотвращения загрязнения грунтовых вод по патенту на изобретение RU 2052575 С1, Е02В 3/16, Макунев М.Н., Поживин В.В. Способ предотвращения загрязнения грунтовых вод.
Способ предусматривает проходку траншеи перпендикулярно мигрирующим с потоком грунтовых вод вредным примесям от источника загрязнения. Для обеспечения гидравлической связи с водоносным горизонтом в траншее сооружаются нагнетательные скважины. Траншею затем заполняют водой, для чего используют некондиционную воду из эксплуатационных скважин водозабора или из поверхностного водоисточника согласно предусмотренному режиму эксплуатации для формирования необходимого градиента давления между водозабором и гидрозавесой. Следствием выполнения указанных условий является формирование динамичной гидрозавесы, позволяющей создать барьер на пути движения загрязнений и пополнить запасы воды водозабора.
На практике способ осуществляют следующим образом. Ниже источника загрязнения по потоку грунтовых вод нормально потоку отрывают канал, заглубленный до водоупорного слоя. Для осуществления гидравлической связи канала с водоносным пластом по оси канала разбуривают ряд поглощающих скважин. В канал подают воду из водозаборных скважин или наземных водоисточников (реки, озера). При этом в водоносном горизонте вдоль канала образуется вал из подаваемой воды, который препятствует дальнейшему продвижению загрязненных вод.
Недостатками прототипа являются:
- значительный объем земляных работ при строительстве канала;
- трудности создания гидрозавесы при глубоком залегании водоупора, высоком положении (близком к поверхности) уровней грунтовых вод;
- значительные трудности сооружения гидрозавесы при существенных перепадах отметок поверхности, что вызывает необходимость увеличения глубины канала или его обвалования;
- большие трудности при пересечении завесой поверхностных водотоков (реки, каналы, открытые дрены и др.);
- необходимость крепления стенок канала;
- потери воды на испарение из канала;
- попадание в канал загрязнений с пылью, дождевыми потоками по причине человеческого фактора;
- заиление канала во времени и необходимость его чистки;
- кольматация фильтров и призабойных зон поглощающих скважин и работы по их регенерации, ремонту;
- отсутствие возможности варьировать давлением (напором) подаваемых в завесу вод;
- практически невозможность применения указанных гидрозавес в условиях высоконапорных водоносных горизонтов и на застроенных территориях;
- ограниченность срока безремонтной эксплуатации, недостаточная надежность;
- необходимость организации охраны от умышленного загрязнения вод.
Целью изобретения является разработка конструкции и технологии создания гидрозавес, предотвращающих попадание загрязненных вод в окружающую среду, горные выработки и водозаборы, лишенных отмеченных недостатков прототипа.
Решение поставленной задачи стало возможным благодаря тому, что в известном способе защиты от продвижения загрязнений, в гидрозавесе, включающей распределительный открытый водоподающий канал, вместо последнего между источником загрязнения и горными выработками 3 или водозабором размещают распределительный трубопровод 1, к которому подключены все нагнетательные скважины 2 (см. чертеж). По указанному напорному трубопроводу к нагнетательным скважинам подают чистую воду с необходимым расчетным давлением и расходом. Для усиления эффективности гидрозавесы в нагнетаемую воду через дозатор могут подаваться составы (химические реагенты), способные нейтрализовать или ослабить действие загрязняющих компонентов.
Гидродинамическое обоснование гидравлических завес является довольно тонкой задачей подземной гидравлики, поскольку режим закачки воды в нагнетательные скважины должен быть таким, чтобы между участком выщелачивания и линией гидрозавесы 1 сформировалась линия, в каждой точке которой скорости подземного потока должны быть равны по величине, но противоположны по направлению.
Методика гидрогеологического расчета гидрозавес достаточно подробно изложена в работе Изотова А.А. и Чуйко В.М. (Расчет режима закачки при создании гидравлических завес с целью локализации технологических растворов. Тезисы доклада на областной научно-технической конференции. Белгород: ВИОГЕМ, 1979).
Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретения, являются:
- независимость предлагаемой технологии сооружения гидрозавесы от характера рельефа, глубины залегания водоносного горизонта, напора подземных вод;
- исключение земляных работ, крепления стенок канала, его обвалования, очистки и др.;
- устранение возможности загрязнения нагнетаемой воды;
- расширение области применения гидрозавес: для предотвращения потерь технологических растворов при разработке месторождений методом подземного выщелачивания, защиты прибрежных карьеров и других выработок от поступления морских вод, для локализации источников загрязнения окружающей среды промышленными стоками (накопители, отстойники, шламо- и хвостохранилища);
- предотвращение притока кислых или другого состава технологические вод в горные выработки при комбинированном способе отработки месторождений;
- возможность интенсификации процесса восполнения водных ресурсов;
- повышение надежности и долговечности гидрозавес предлагаемой конструкции (технологической схемы).
Практическая применимость заявленного способа сооружения гидрозавесы показана на следующем примере.
3
3
Гидравлическая завеса 1 реально осуществлена на рудном пластовом месторождении, которое приурочено к пологопадающему пласту слабосцементированных песчаников. Продуктивный пласт выделен в самостоятельный напорный горизонт. Средняя мощность песчаников 25 м, глубина их залегания 180-200 м, напоры воды над почвой пласта 120-140 м, среднее значение коэффициента фильтрации 4 м/сут, удельные дебиты нагнетательных скважин находились в пределах 0,0005-0,002 м/с. Месторождение разрабатывалось комбинированным способом: системой подземных горных выработок 3 и методом подземного выщелачивания (ПВ). Расстояние между подземным рудником и участком ПВ 1,6 км. В качестве выщелачивающего реагента применяются растворы серной кислоты. Под влиянием осушения рудника сернокислые растворы за 5 лет продвинулись в сторону рудника на 800 м. На линии фронта продвижения технологических растворов 4 был сооружен линейный ряд из семи нагнетательных скважин 2, соединенных в одну систему напорным трубопроводом 1 от насосной станции. Для закачки использовались дренажные воды подземного рудника 3. Закачка проводилась под давлением 0,4-1,0 МПа с суммарной производительностью 0,116-0,133 м/с. Гидроизопьезы 5 водоносного горизонта при работе гидрозавесы показаны на чертеже. Основные сведения по скважинам сооруженной гидрозавесы приведены в табл.1.
Таблица 1
Номер сква-жины
Глубина Н, м
Диаметр бурения, мм
Сведения о фильтрах
Приемистость, м<sup>3</sup>/с
Диаметр, мм
Интервал установки, м
Скважность, %
максимальная при р=1 МПа
средняя за 14 месяцев работы
1
2
3
4
5
6
7
8
В-4
211
490
325
158-191
15
0,053
0,022
В-5
207
-«-
-«-
156-186
-«-
0,058
0,025
В-6
192
-«-
-«-
128-172
-«-
0,043
0,025
В-7
194
-«-
-«-
136-172
-«-
0,025
0,018
В-9
205
-«-
-«-
146-184
-«-
0,017
0,008
В-10
201
-«-
-«-
151-182
-«-
0,037
0,016
B-1
203
190
127
153-182
17
0,004
0,002
Ниже приведены данные о параметрах гидрозавесы:
Дебит закачки Q, м<sup>3</sup>/сут
2040
Уклон потока i
0,036
Коэффициент фильтрации пласта К, м/сут
4
Мощность пласта m, м
25
Расстояние между скважинами δ, м
300
Активная пористость пород, n
0,15
Расстояние до точки разветвления потока У<sub>A</sub>, м
210
Время продвижения фронта нейтральной воды t, сут
260
Для оценки эффективности гидрозавесы использовались данные наблюдений, химических анализов и геофизических измерений по наблюдательным скважинам 6, расположенным по обе стороны от гидрозавесы.
Анализ результатов наблюдений показал, что вытеснение сернокислых растворов нейтральной водой происходит достаточно интенсивно, граница раздела 7 кислых и нейтральных вод переместилась на 100 м вверх по потоку. За 260 дней эксплуатации гидрозавесы в 100 м от гидрозавесы вверх по потоку мощность закисленной зоны уменьшилась с 7,3 м до 2,3 м, а значения рН увеличилось с 1,9 до 5,8 (см.положение изолиний pH 8). На расстоянии 200 м вниз по потоку мощность зоны закисления уменьшилась с 5,3 м до 2,1 м, а значение рН возросло с 3,0 до 5,5. Таким образом, применение гидрозавесы оказалось эффективным мероприятием по предотвращению продвижения фронта сернокислых растворов к подземному руднику.