способ предотвращения динамических явлений в нарушенных породах при разработке полезных ископаемых (варианты)

Формула изобретения

1. Способ предотвращения динамических явлений в нарушенных породах при разработке полезных ископаемых, включающий бурение скважин до пересечения опасной зоны, отбор и анализ керна, установку пакеров, нагнетание в массив антифрикционного раствора для управления условиями трения по контакту берегов трещин в опасной зоне, отличающийся тем, что сначала в опасную зону бурят скважины первой очереди, затем на расстоянии, обеспечивающем гидравлическую связь с ними, бурят скважины второй очереди, размещают во всех скважинах пакеры, по физико-химическим свойствам кернового материала скважин подбирают наиболее подходящие дезинтегрирующий и антифрикционный растворы, после чего при открытых пакерах нагнетают в скважины первой очереди дезинтегрирующий раствор до появления его из скважин второй очереди, а затем закрывают все пакеры и выдерживают интервал времени, необходимый для дезинтеграции пород, разгрузки опасной зоны и повышения проницаемости трещин, после чего нагнетают в скважины первой очереди антифрикционный раствор, вязкость которого на 25-30% выше вязкости дезинтегрирующего раствора, и вытесняют последний антифрикционным раствором через открытые пакеры скважин второй очереди до заполнения им трещин.

2. Способ предотвращения динамических явлений в нарушенных породах при разработке полезных ископаемых, включающий бурение скважин до пересечения опасной зоны, отбор и анализ керна, установку пакеров, нагнетание в массив антифрикционного раствора для управления условиями трения по контакту берегов трещин в опасной зоне, отличающийся тем, что дезинтегрирующий раствор нагнетают сначала через скважины первой очереди в центральной части опасной зоны, потом - через скважины второй очереди по ее краям и закрывают все пакеры для предотвращения вытекания этого раствора и реакционных газов, а затем нагнетают антифрикционный раствор в том же порядке с вытеснением дезинтегрирующего раствора от центра к краям опасной зоны сначала через открытые пакеры скважин второй очереди, а затем через дополнительно пробуренные контрольные скважины при всех закрытых пакерах.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения динамических явлений при разработке полезных ископаемых вблизи опасных зон, преимущественно представленных нарушенными породами тектонических зон.

Известен способ раскалывания угольного массива с помощью дезинтегрирующего раствора (заявка Франции 2489410, Е 21 С 41/04; E 21 F 5/00, 17/00, опубл. в BULLETIN OFFICIEL DE LA PROPRIETE INDUSTRIELLE 9, 5 марта 1982 г.), включающий бурение в массиве угля скважин, по которым подают дезинтегрирующий раствор на основе водного раствора фенола, альдегида, кетона, органических производных серы, аммиака или их смеси. Физико-химическое действие этого раствора на пласт заключается в том, что он ослабляет структуру угля и разгружает массив от напряжений.

Недостатком известного способа является неэффективность применения этого дезинтегрирующего раствора в других типах пород, кроме угля и сланцев, необеспечение благоприятных условий для реализации пластических деформаций пород и оптимальных условий трения по контакту берегов трещин в опасной зоне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ предотвращения динамических явлений в слоистых породах (а.с. 1778315, E 21 F 5/00, опубл. в БИ 44, 1992 г.), включающий бурение скважин до межслоевых контактов, нагнетание в зоны контактов жидкости, содержащей поверхностно-активное вещество, снижающее коэффициент трения по контакту берегов трещин в опасной по динамическим проявлениям зоне до величины угла трения в пределах =544,5^o.

Недостатком известного способа является ненадежность предотвращения динамических явлений при разработке полезных ископаемых вблизи опасных зон, представленных нарушенными породами тектонических зон, где отсутствуют явно выраженные межслоевые контакты и, вследствие плохой проницаемости трещин, трудно обеспечить качество распространения по трещинам жидкости, снижающей коэффициент трения по контакту берегов трещин в опасной зоне до величины угла трения в пределах, необходимых для реализации режима пластической деформации пород.

Техническая задача: повышение надежности предотвращения динамических явлений при извлечении полезных ископаемых вблизи опасных зон, представленных нарушенными породами тектонических зон, за счет создания благоприятных условий для реализации режима пластической деформации пород.

Поставленная задача решается тем, что в способе предотвращения динамических явлений в нарушенных породах при разработке полезных ископаемых, включающем бурение скважин до пересечения опасной зоны, отбор и анализ керна, установку пакеров, нагнетание в массив антифрикционного раствора для управления условиями трения по контакту берегов трещин в опасной зоне, согласно техническому решению, сначала в опасную зону бурят скважины первой очереди, затем на расстоянии, обеспечивающем гидравлическую связь с ними, бурят скважины второй очереди, размещают во всех скважинах пакеры, по физико-химическим свойствам кернового материала скважин подбирают наиболее подходящие дезинтегрирующий и антифрикционный растворы, после чего при открытых пакерах нагнетают в скважины первой очереди дезинтегрирующий раствор до появления его из скважин второй очереди, а затем закрывают все пакеры и выдерживают интервал времени, необходимый для дезинтеграции пород, разгрузки опасной зоны и повышения проницаемости трещин, после чего нагнетают в скважины первой очереди антифрикционный раствор, вязкость которого на 25-30% выше вязкости дезинтегрирующего раствора, и вытесняют последний антифрикционным раствором через открытые пакеры скважин второй очереди до заполнения им трещин.

При этом достигается повышение надежности предотвращения динамических явлений при извлечении полезных ископаемых вблизи опасных зон, представленных нарушенными породами тектонических зон, за счет повышения проницаемости трещин, образования новых трещин, повышения качества распространения антифрикционного раствора и создания благоприятных условий для реализации пластических деформаций пород в пределах опасной зоны.

Поставленная задача решается также тем, что в другом варианте способа предотвращения динамических явлений, включающем бурение скважин до пересечения опасной зоны, отбор и анализ керна, установку пакеров, нагнетание в массив антифрикционного раствора для управления условиями трения по контакту берегов трещин в опасной зоне, согласно изобретению, дезинтегрирующий раствор нагнетают сначала через скважины первой очереди в центральной части опасной зоны, потом - через скважины второй очереди по ее краям и закрывают все пакеры для предотвращения вытекания этого раствора и реакционных газов, а затем нагнетают антифрикционный раствор в том же порядке с вытеснением дезинтегрирующего раствора от центра к краям опасной зоны сначала через открытые пакеры скважин второй очереди, а затем через дополнительно пробуренные контрольные скважины при всех закрытых пакерах.

При этом достигается повышение надежности предотвращения динамических явлений при извлечении полезных ископаемых за счет повышения давления в опасной зоне, более эффективного раскрытия трещин и образования новых трещин, повышения качества распространения дезинтегрирующего и антифрикционного растворов во всем объеме опасной зоны для реализации режима пластической деформации пород.

Сущность технического решения иллюстрируется примером осуществления способа и чертежами, где: на фиг.1 приведена фотография результатов моделирования на эквивалентных (фотоупругих) материалах геологической ситуации образования опасной зоны в удароопасных условиях железных рудников Горной Шории; на фиг. 2 показан разрез вкрест простирания опасной зоны, связанной с нарушенными породами тектонической зоны, в начальный момент осуществления способа; на фиг.3 и 4 - развитие работ по предотвращению динамических явлений; на фиг.5 - извлечение полезного ископаемого вблизи опасной зоны при полной реализации способа.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На практике динамические проявления горного давления при разработке полезных ископаемых зачастую локализованы в опасных зонах, связанных с нарушенными породами тектонических зон. На фиг.1 показаны типичные условия образования опасной по динамическим явлениям зоны, смоделированные на эквивалентных материалах. При проведении в массиве 1 горной выработки 2 (фиг.2) вблизи тектонической зоны 3, вследствие концентрации напряжений, формируется опасная зона 4, что может быть зарегистрировано в модели (фиг.1) по интенсивности изохром и регистрации акустических сигналов. При выемке залежи 5 полезного ископаемого (фиг.2) реализуются динамические явления в опасной зоне 4 и разрушения в горной выработке 2. Для предотвращения динамических явлений из горной выработки 2 бурят скважины 6 первой очереди и скважины 7 второй очереди с пересечением опасной зоны 4, локализованной в тектонической зоне 3. На основе изучения кернового материала скважин из опасной зоны 4 в лабораторных условиях подбирают наиболее подходящие по физико-химическим свойствам дезинтегрирующий раствор 8 (фиг.3) и антифрикционный раствор 9 (фиг.4), причем вязкость второго должна быть на 25-30% выше вязкости первого. Дезинтегрирующий раствор 8 по своим физическим характеристикам легко распространяется по трещинам 10 в опасной зоне 4, вступает в химическое взаимодействие с минералами-заполнителями трещин 10 для их разрушения, расслоения и образования дополнительных продуктов химических реакций (жидких, твердых или газообразных), способствующих повышению давления в опасной зоне 4, раскрытию и очистке трещин 10. Антифрикционный раствор 9 обеспечивает оптимальные пределы угла трения (= 414^o) по контакту берегов трещин 10 в опасной зоне 4. Лабораторные и практические исследования показали, что если вязкость антифрикционного раствора 9 на 25-30% выше вязкости дезинтегрирующего раствора 8, то обеспечивают полное вытеснение одного другим при распространении антифрикционного раствора 9 под давлением в трещинах 10. Скважины 7 второй очереди бурят от скважин 6 первой очереди (фиг.2) на расстоянии, обеспечивающем гидравлическую связь между ними. В скважины 6 первой очереди нагнетают дезинтегрирующий раствор 8 (фиг.3) при открытых пакерах 11 до появления его из скважин 7 второй очереди, затем закрывают все пакеры 11 и выдерживают интервал времени, необходимый для дезинтеграции пород, разгрузки опасной зоны 4 и повышения проницаемости трещин 10. После этого (фиг.4) нагнетают в скважины 6 первой очереди антифрикционный раствор 9 с вытеснением дезинтегрирующего раствора 8 через открытые пакеры 11 скважин 7 второй очереди. Происходит более качественное заполнение трещин 10 антифрикционным раствором 9 для создания благоприятных условий реализации пластических деформаций в пределах опасной зоны 4, несмотря на то, что образование очистного пространства 12 при отработке залежи 5 полезного ископаемого образует концентрацию напряжений в массиве 1 и опасной зоне 4.

Согласно второму варианту способа дезинтегрирующий раствор 8 нагнетают сначала через скважины 6 первой очереди в центральной части опасной зоны 4, потом через скважины 7 второй очереди по ее краям и закрывают все пакеры 11 для предотвращения вытекания дезинтегрирующего раствора 8 и реакционных газов, а затем нагнетают антифрикционный раствор 9 в том же порядке с вытеснением дезинтегрирующего раствора 8 от центра к краям опасной зоны 4 через открытые пакеры 11 скважин 7 второй очереди, а затем через дополнительно пробуренные контрольные скважины 13 при всех закрытых покерах 11.

Таким образом достигается повышение надежности предотвращения динамических явлений при извлечении залежи 5 полезного ископаемого вблизи опасной зоны 4, связанной с тектонической зоной 3, за счет повышения проницаемости трещин 10, и создаются благоприятные условия реализации режима пластической деформации пород.

В качестве примера рассмотрим реализацию предлагаемого способа предотвращения динамических явлений в нарушенных породах при разработке месторождений железных руд. Для промоделированных (фиг.1) условий железных рудников Горной Шории (таких как Таштагольский, Шерегешский и др.) массив 1 (магнетитсодержащий скарн) вмещает залежь 5 полезного ископаемого (сплошная магнетитовая руда), а тектоническая зона 3 представлена нарушенными сетью трещин 10 породами того же состава. В трещинах 10 отмечены отложения кальцита, пирита, халькопирита. В качестве дезинтегрирующего раствора 8 по результатам лабораторных исследований кернового материала скважин для обработки опасной зоны 4 используют, например, 10-20% раствор соляной кислоты в смеси с 1-3% по весу ортофосфорной кислоты (твердое) и органических производных серы. Вязкость условная дезинтегрирующего раствора 8 составляет 12-15 секунд по вискозиметру ВЗ-1 при 20^oС. Физико-химическое действие этого раствора на минералы опасной зоны 4 заключается в ослаблении структуры пород, растворении карбонатов с образованием газообразных (углекислый газ), жидких (вода, растворы солей) и твердых (хлорное железо, фосфаты) и др. продуктов, что разгружает массив от напряжений и повышает проницаемость трещин 10. В паре с этим дезинтегрирующим раствором 8 рекомендуют антифрикционный раствор 9 на основе 25-40% водного раствора карбамидной смолы КФ-17 с модифицирующими добавками, условную вязкость которого выбирают согласно предложенному способу в пределах 15-22 секунд по вискозиметру ВЗ-1 при 20^oС для обеспечения относительно более высокой (на 25-30%) плотности антифрикционного раствора 9. Физико-химическое взаимодействие этого раствора с дезинтегрирующим раствором 8 и вновь образованными продуктами реакций дезинтеграции пород в опасной зоне 4 приводит к образованию устойчивого к физико-химическим воздействиям геля смолы КФ-17, который не переходит в твердую фазу и обеспечивает оптимальные параметры угла трения (=4-14^o) по контакту берегов трещин 10 и реализацию благоприятных условий пластических деформаций в пределах опасной зоны 4.