способ комбинированной разработки обводненных месторождений полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ комбинированной разработки обводненных месторождений полезных ископаемых, включающий отработку карьерного поля до экономически целесообразной глубины с внешним отвалообразованием вскрышных пород и карьерным водоотливом, проходку подземных вскрывающих выработок, постепенное заполнение отработанного карьера породами и отработку запасов полезного ископаемого ниже предельного положения дна карьера, отличающийся тем, что на дне отработанного карьера перед отсыпкой пород сооружают дренирующие элементы шахтного водоотлива, отсыпают крепкие скальные породы ниже подошвы основного водоносного коллектора, сверху укладывают слабофильтрующий материал и затем существенно глинистые породы, перекрывая ими кровлю основного водоносного коллектора, поддерживают работу карьерного водоотлива на период проходки подземных вскрывающих выработок и отсыпки пород, проводят дренирование крепких скальных пород, а отработку подкарьерных запасов ведут под защитой отсыпанных пород с закладкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дренирующие элементы шахтного водоотлива включают горизонтальные фильтровые колонны и наклонные скважины, соединяющие фильтровые колонны с подземными горными выработками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слабофильтрующего материала может быть использован тканевый природный или искусственный материал.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при дренировании крепких скальных пород производительность шахтного водоотлива должна превышать величину проскока дренажных вод через существенно глинистые породы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке обводненных месторождений твердых полезных ископаемых.

Известен способ комбинированной разработки крутопадающих месторождений полезных ископаемых, включающий отработку верхней части месторождения карьером до проектной глубины с внешним отвалообразованием вскрышных пород, проходку наклонного ствола со дна карьера, отработку запасов полезного ископаемого ниже предельного положения дна карьера подземным способом сначала с открытым выработанным пространством, а затем под обрушенными породами (Патент РФ, МПК (6) E 21 С 41/00, 41/26. Способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых. /Акишев А.Н. и др. N 98111263/03 (012223) с положительным решением от 23.03.99, заявлено 08.06.98).

Способ непригоден для разработки обводненных месторождений полезных ископаемых, особенно при больших притоках подземных вод, в том числе имеющих в своем составе ядовитые и взрывоопасные газы, ввиду значительной сложности и неэффективности в данных условиях проходки со дна карьера и последующей эксплуатации наклонного ствола, а также невозможности обеспечить необходимую безопасность ведения подземных работ. Расположение ствола неблагоприятно, поскольку способствует наибольшему притоку вод к нему, а применяемые системы разработки подземным способом не обеспечивают защиту подземных выработок от затопления в связи с отсутствием барьерного целика.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых, включающий отработку карьерного поля до экономически целесообразной глубины с внешним отвалообразованием вскрышных пород и карьерным водоотливом, проходку подземных вскрывающих выработок, постепенное заполнение отработанного карьера породами и отработку запасов полезного ископаемого ниже положения дна карьера (Патент РФ N 2005181, МКЛ (5) E 21 C 41/26. Способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых. / Курленя М.В. , Медведев М. Л. , Дюкарев В. П., Кортелев О.Б. - N 4880059/03, заявлено 05.11.90; опубликовано 30.12.93, бюл. N 47-48).

Недостатком данного технического решения является малая эффективность способа при отработке подкарьерных запасов обводненных месторождений полезных ископаемых. Отсыпаемые во внутрикарьерное пространство породы не предотвращают поступления подземных вод, вскрытых карьером, на поверхность месторождения, сформированную после окончания добычных работ открытым способом. По мере заполнения отработанного карьера подземными водами возрастает напор на эту поверхность, что требует оставления в верхней части залежи барьерного целика определенной мощности для безопасного ведения подземной разработки. Отсутствие над данной поверхностью залежи слоя с повышенной ("ураганной") проницаемостью, а выше слоя с низкой проницаемостью не позволяет обеспечить разрыв сплошности потока для снижения давления на барьерный целик и уменьшения его мощности вплоть до нулевой, приводящий к минимизации потерь полезного ископаемого в нем.

Цель изобретения - повышение эффективности разработки обводненных месторождений за счет сокращения до минимума потерь полезных ископаемых в барьерном целике.

Поставленная цель достигается тем, что в способе комбинированной разработки обводненных месторождений полезных ископаемых, включающем отработку карьерного поля до экономически целесообразной глубины с внешним отвалообразованием вскрышных пород и карьерным водоотливом, проходку подземных вскрывающих выработок, постепенное заполнение отработанного карьера породами и отработку запасов полезного ископаемого ниже предельного положения дна карьера, на дне отработанного карьера перед отсыпкой пород сооружают дренирующие элементы шахтного водоотлива, отсыпают крепкие скальные породы ниже подошвы основного водоносного коллектора, сверху укладывают слабофильтрующий материал и затем существенно глинистые породы, перекрывая ими кровлю основного водоносного коллектора, поддерживают работу карьерного водоотлива на период проходки подземных вскрывающих выработок и отсыпки пород, проводят дренирование крепких скальных пород, а отработку подкарьерных запасов ведут под защитой отсыпанных пород с закладкой.

Дренирующие элементы шахтного водоотлива включают горизонтальные фильтровые колонны и наклонные скважины, соединяющие фильтровые колонны с подземными горными выработками.

В качестве слабофильтрующего материала может быть использован тканевый природный или искусственный материал.

Причем при дренировании крепких скальных пород производительность шахтного водоотлива должна превышать величину проскока дренажных вод через существенно глинистые породы.

Условия, складывающиеся на момент завершения разработки обводненного месторождения открытым способом, как правило, не позволяют достаточно длительное время поддерживать дно отработанного карьера сухим с помощью карьерного водоотлива, а бермы карьера, особенно в его нижней части, пригодными для движения транспорта. Это создает существенные препятствия для выемки подкарьерных запасов полезного ископаемого в барьерном целике, так как практически исключает возможность проведения эффективных, требующих значительного времени, водоизоляционных мероприятий на дне карьера (устройство противофильтрационного экрана) или создания подземной дренажной системы в подошве водоносного комплекса, проходку выработок которой, для сокращения срока сооружения, целесообразно было бы осуществлять с одной из берм в нижней части карьера. При значительном притоке подземных вод подтопление карьера, сразу после окончания добычных работ открытым способом, означает практически безвозвратную потерю запасов полезного ископаемого в барьерном противофильтрационном целике высотой не менее 80-100 метров, оставление которого необходимо, чтобы обеспечить защиту при разработке нижележащих горизонтов месторождения подземным способом.

Минимизацию потерь полезного ископаемого в барьерном целике обеспечивают следующим образом.

Сооружение дренирующих элементов шахтного водоотлива на дне отработанного карьера позволяет обеспечить максимальный перехват проскока вод через существенно глинистые породы, а также разорвать сплошность потока в пределах дренирующего слоя, сформированного крепкими скальными породами, это ведет к снижению гидростатического напора на поверхность барьерного целика, что позволяет минимизировать его высоту вплоть до нуля.

Отсыпка крепких скальных пород ниже подошвы основного водоносного коллектора позволяет создать дренирующий слой, обладающий "ураганной" водопроницаемостью. Мощность данного слоя должна быть установлена исходя из минимально необходимого объема пустотности, определяемой по остаточному коэффициенту разрыхления пород в насыпи (1,2-1,3). При этом его верхняя граница должна существенно не достигать подошвы основного (наиболее водообильного) коллектора водоносного комплекса. При отсыпке на слой крепких скальных пород существенно глинистых пород, перекрывающих по высоте основной водоносный коллектор, создается фильтрационное сопротивление, препятствующее объемной фильтрации дренажных вод. Это становится особенно важным после начала работы шахтного водоотлива для обеспечения разрыва сплошности потока.

Укладка слабофильтрующего тканевого материала на границе между крепкими скальными и существенно глинистыми породами позволяет предотвратить суффозионный вынос глинистого материала в дренирующий слой в процессе отсыпки существенно глинистых пород и при последующей работе шахтного водоотлива. Предотвращение кольматации дренирующего слоя обеспечит возможность его эффективной работы с разрывом сплошности потока.

Поддержание работы карьерного водоотлива необходимо для обеспечения благоприятных условий отсыпки пород, а также поддержания необходимого уровня воды в карьере на период сооружения шахтных стволов. Это позволяет обеспечить допустимые проскоки дренажных вод при проходке шахтных стволов без замораживания.

Дренирование крепких скальных пород осуществляют с расходом, превышающим проскок через слой существенно глинистых пород. Это позволяет получить свободную поверхность (поверхность, на которую действует только атмосферное давление) подземных вод внутри слоя с "ураганной" проницаемостью. В этих условиях на поверхность барьерного целика действует гидростатический напор, равный высоте остаточного столба воды в дренирующем слое. Величина этого напора может быть снижена практически до нуля за счет увеличения производительности шахтного водоотлива. Дренирование крепких скальных пород осуществляют через горизонтальные фильтровые колонны, укладываемые на дне отработанного карьера, и наклонные скважины, соединяющие фильтровые колонны с подземными горными выработками.

Отработку подкарьерных запасов ведут под защитой отсыпанных пород при работающем шахтном водоотливе с закладкой. Закладка выработанного подземного пространства необходима для предотвращения подработки вышележащих сформированных слоев и бортов карьера, а также, в верхней части подкарьерных запасов - еще и для предохранения подземных горных выработок от прорыва в них дренажных вод. Происходит полная замена части залежи, оставляемой в барьерном целике, на закладочный материал. При этом закладка в верхней части барьерного целика на необходимую высоту должна производиться малофильтрующим закладочным материалом, что предотвратит попадание дренажных вод в подземные очистные выработки и позволит обеспечить благоприятные условия для отработки нижележащих запасов.

На фиг. 1 изображен разрез карьера и месторождения полезного ископаемого на момент завершения его разработки открытым способом.

На фиг. 2 - то же после проходки подземных вскрывающих выработок и осуществления дренирования слоя крепких скальных пород; где:

1 - карьер; 2 - прибортовые целики полезного ископаемого, погашенные с замещением вскрышными (крепкими скальными) породами; 3 - месторождение полезного ископаемого, подлежащее отработке подземным способом; 4 - водоносный комплекс; 5 - основной коллектор водоносного комплекса; 6 - естественный неразмываемый водоупор; 7 - горизонтальные фильтровые колонны; 8 - наклонные скважины; 9 - подземные выработки шахтного водоотлива: 10 - слой крепких скальных пород; 11 - тканевый слабофильтрующий материал; 12 - слой существенно глинистых пород: 13 - карьерный водоотлив; 14 - шахтный ствол; 15 - зона разрыва сплошности потока дренажных вод: 16 - эпюра напора дренажных вод при поддержании их уровня на поверхности слоя существенно глинистых пород.

Пример конкретной реализации

Месторождение кимберлитовой трубки "Мир" разрабатывают карьером 1 до экономически целесообразной глубины, равной 525 м, с вывозом вскрышных пород во внешние отвалы и карьерным водоотливом. При этом для обеспечения более благоприятных условий ведения горных работ на стадии доработки глубокого карьера сначала его дном достигают проектной глубины с оставлением рудных прибортовых целиков 2, а затем полностью погашают их, замещая вскрышными (крепкими скальными) породами. Нижележащие горизонты месторождения 3 подлежат разработке подземным способом.

Карьер на полную мощность вскрывает высоконапорный водоносный комплекс 4 с притоком до 1200 м³/час, основной (наиболее водообильный) коллектор 5 которого залегает в интервале глубин 410-465 м. При этом подземные воды, представленные рассолами-криопэгами, содержат ядовитые и взрывоопасные газы (сероводород, метан, водород и другие). Дно отработанного карьера расположено на одном уровне с естественным неразмываемым водоупором 6, сложенным гипс-ангидритами и доломитами.

Размеры карьера на конец отработки составляют на поверхности - 1200 х 1100 м, на дне - 230 х 60 м, а объем вынутого пространства - около 170 млн. м³. Коэффициент запаса устойчивости бортов карьера в конечном положении, значения углов наклона которых составляют 45-50 градусов, близок к единице. Высокие (до 45 м) и крутые (до 80 градусов) нерабочие уступы бортов карьера подвержены интенсивному осыпеобразованию вследствие выветривания и локальным обрушениям пород в зонах с неблагоприятно ориентированными поверхностями ослабления (по подсекающим трещинам). В результате деформаций уступов к концу отработки карьера произошло существенное уменьшение проектной ширины берм, что сделало доступ на многие из них невозможным.

Минимизацию потерь полезного ископаемого в барьерном целике обеспечивают следующим образом.

На дно отработанного карьера укладывают горизонтальные фильтровые колонны 7 и соединяют их с наклонными скважинами 8, которые предварительно бурят в направлении месторасположения подземных выработок шахтного водоотлива 9, обсаживают и заполняют глиноцементным составом.

Сверху на дренирующие элементы шахтного водоотлива укладывают слой крепких скальных пород (грубообломочного природного материала) 10, включая объем замещения рудных прибортовых целиков. При этом в тело слоя, по мере его укладки, целесообразно включать металлолом, который, реагируя с растворенным в дренажных водах сероводородом, существенно связывает этот ядовитый газ, что позволяет сократить его выделение в подземные горные выработки при последующей отработке подкарьерных запасов.

На слой крепких скальных пород укладывают тканевый природный (геотекстиль) или искусственный (полимерный) слабофильтрующий материал 11. После этого, сверху отсыпают существенно глинистые породы 12, перекрывая ими по высоте кровлю основного коллектора водоносного комплекса.

Для обеспечения благоприятных условий проходки вскрывающих стволов в зоне влияния водоносного комплекса и укладки породных и тканевого слоев на этот период поддерживают работу карьерного водоотлива 13, насосы которого последовательно, по мере повышения уровня отсыпки, передвигают от дна карьера вверх, вплоть до верхней границы отсыпаемых глинистых пород.

Переход к подземной разработке подкарьерных запасов производят следующим образом.

Осуществляют проходку вертикальных вскрывающих стволов, устья которых располагают на дневной поверхности вблизи карьера и (или) на широкой площадке одной из берм в верхней его части. Пригрузкой нижней части карьера слоями отсыпанных пород также обеспечивают существенное повышение устойчивости бортов и благоприятные геомеханические условия размещения стволов вблизи выработанного карьерного пространства. С учетом продолжения работы карьерного водоотлива, препятствующего восстановлению уровня подземных вод, проходку стволов в пределах водоносного комплекса производят без применения систем заморозки, которые резко усложняют их строительство и удлиняют его сроки. По результатам проходки и гидродинамических испытаний опережающих скважин на забое стволов в процессе их сооружения, в необходимых случаях, производят тампонаж зоны поглощений глиноцементными растворами для сокращения притоков подземных вод в сооружаемые стволы до нормативно допустимых величин.

После пересечения первым из стволов 14 подошвы водоносного комплекса и естественного водоупора приступают к проходке горизонтальных выработок, вскрывающих подкарьерные запасы месторождения. Сооружают выработки шахтного водоотлива, включающие подземную водоприемную емкость. Их местоположение приурочивают к забоям наклонных скважин, пробуренных из карьера. Вскрытые данными выработками забои наклонных скважин оборудуют запорной арматурой. Под ее защитой производят выбуривание глиноцементного состава в пределах обсадных колонн на всю длину скважин. После этого наклонные скважины соединяют с насосами шахтного водоотлива. Одну из наклонных скважин оборудуют манометром и используют в качестве наблюдательной в процессе дренажных работ.

Перед отработкой подкарьерных запасов в барьерном целике производят дренирование отсыпанного выше слоя крепких скальных пород. Для этого увеличивают производительность шахтного водоотлива до величины, большей чем проскок дренажных вод через малопроницаемый слой существенно глинистых пород. При этом происходит разрыв сплошности потока в зоне 15, что фиксируют по резкому падению давления на манометре наблюдательной скважины (отображенному на фиг. 1 и фиг. 2 изменением положения эпюры 16 от величины А, соответствующей напору уровня воды в карьере, до величины Б напора уровня образовавшейся свободной поверхности воды внутри грубообломочного слоя). Перед отработкой верхней части барьерного целика, непосредственно примыкающей к дну карьера, уменьшают величину Б остаточного напора практически до нуля за счет дальнейшего увеличения производительности шахтного водоотлива.

Наличие тканевого материала, разделяющего слои отсыпанных пород с разной проницаемостью, препятствует суффозионному выносу глинистых частиц из верхнего слоя в нижний. До начала водоотбора это сохраняет высокую проницаемость нижнего слоя, а с началом дренирования уменьшает наличие механических примесей в откачиваемых водах, что улучшает условия функционирования насосов шахтного водоотлива.

Достигнутое снижение (вплоть до нулевого) гидростатического давления на поверхность рудного тела обеспечивает благоприятные условия для практически полной отработки подкарьерных запасов в барьерном целике. Применяют, например, камерно-целиковую систему разработки с закладкой камер малофильтрующим материалом, полностью замещая им в процессе отработки верхнюю часть барьерного целика на необходимую высоту, и, таким образом, формируют искусственный противофильтрационный целик, под защитой которого отрабатывают нижележащие запасы месторождения с закладкой.

При отработке верхней части барьерного целика возможны незначительные по объему остаточные проскоки дренажных вод в очистные камеры. После дренажа основного объема через наклонные скважины их собирают и направляют в систему шахтного водоотлива, применяя несложные традиционные способы (например, по водоотводным канавкам). При этом металлолом, помещенный в слой крепких скальных пород, снижает интенсивность выделения сероводорода с поверхности вод остаточного проскока, что улучшает условия проветривания отрабатываемых камер.

Использование предлагаемого способа при относительной простоте и надежности его осуществления позволяет сократить до минимума потери высокоценного полезного ископаемого в барьерном целике, достигая повышения эффективности разработки значительно обводненного месторождения. Кроме того, удается повысить устойчивость бортов отработанного глубокого карьера, существенно снизить притоки во внутрикарьерное пространство и к шахтным стволам во время их проходки, организовав достаточно надежную работу карьерного водоотлива, и обеспечить эффективную работу шахтного водоотлива при отработке подкарьерных запасов полезного ископаемого с закладкой в барьерном целике.