способ мониторинга аномальных зон водозащитной толщи на калийных рудниках

Формула изобретения

Способ мониторинга аномальных зон водозащитной толщи на калийных рудниках, характеризующийся тем, что при вскрытии горными выработками аномальной зоны производят ее детальное геологическое описание, изучают электро- и сейсморазведочными методами, выявляют степень ее опасности, затем определяют сеть и частоту режимных геофизических наблюдений, после начала процессов расслоения и обрушения пород кровли в боковой стенке горной выработки, пройденной в аномальной зоне по верхнему отрабатываемому пласту, производят бурение горизонтальных шпуров длиной 1 м и при расстоянии между ними, колеблющимся в зависимости от размеров и степени опасности аномалии от 10 до 100 м, после этого устанавливают в призабойной части шпуров термометры для измерения температуры соляных пород и при понижении температуры на 10-20%, свидетельствующем о начале процессов проникновения в соляную толщу холодных подземных вод из вышележащих водоносных горизонтов и растворения в них солей, сопровождающегося понижением температуры, уточняют местоположение и конфигурацию области развития данных процессов и далее начинают подготовку к осуществлению мероприятий по ликвидации в горных выработках возможных рассолопроявлений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке калийных месторождений, залегающих под водоносными горизонтами.

Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС) является уникальным по запасам, имеет протяженность в меридиональном направлении около 200 км, в широтном - около 55 км. Площадь развития калийных солей составляет 3750 км ². Разработка Верхнекамского месторождения калийных солей была начата еще в 1932 г. До 1986 г. разработка солей велась семью рудниками, расположенными в центральной и южной частях месторождения. В 1986 году в результате нарушения водозащитной толщи был затоплен и безвозвратно утерян крупнейший в мире рудник Третьего Березниковского калийного рудоуправления с производительностью 8 млн.т. руды в год.

После затопления рудника интенсивность научно-исследовательских работ, направленных на изучение геологии ВКМКС, резко усилилась. При этом приоритет в исследованиях в настоящее время принадлежит изучению водозащитной толщи (ВЗТ).

Водозащитной толщей называют непроницаемую часть горного массива, расположенную между отрабатываемым пластом калийно-магниевых солей и горизонтом, содержащим надсолевые слабоминерализованные воды.

В настоящее время мониторинг аномальных зон водозащитной толщи на калийных рудниках производят в основном сейсморазведочным методом (см., например, Белкин В.В., Глебов С.В. Дополнение к Генеральному проекту “Мониторинг геологической среды южной части Верхнекамского соленосного бассейна” Шахтный геофизический мониторинг состояния ВЗТ в пределах аномальных зон рудников ОАО “Уралкалий”, ОАО “Уралкалий”, Березники, 2003).

Недостатком известного способа является то, что для проведения шахтных сейсморазведочных исследований нужны горные выработки с устойчивой кровлей, необходимой для возбуждения ударным способом сейсмических колебаний. Однако наиболее опасные с точки зрения возможного затопления рудника аномальные зоны ВЗТ приурочены большей частью к тектонически ослабленным участкам и пройденные в них горные выработки отличаются неустойчивой кровлей и со временем становятся труднопроходимыми. К таким горным выработкам относится, например, северный выемочный штрек 1-го восточного блока 3 юго-восточной панели на шахтном поле Четвертого Березниковского калийного рудоуправления, находящийся в зоне влияния локального сдвига. В данной горной выработке имеются многочисленные расслоения и обрушения пород кровли.

Целью изобретения является своевременный прогноз опасности затопления рудника.

Поставленная цель достигается тем, что в неустойчивых горных выработках осуществляют термометрический мониторинг.

Известно [1], что термические исследования геологической среды могут использоваться при решении различных инженерно-геологических, гидрогеологических, мерзлотно-гляциологических и геоэкологических задач. Измерения температур проводятся в шпурах и скважинах глубиной до 10-30 м. В различных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат для оконтуривания многолетнемерзлых и талых горных пород с разными тепловыми свойствами; изучения динамики подземных вод (приток глубинных вод создает положительные аномалии температур, поверхностных - отрицательные); прогноза приближения забоя выработок к обводненным зонам и решения других задач.

Особый интерес представляет определение скорости фильтрации подземных вод. Как отмечалось выше, тепловой поток в условиях заметной конвекции тепла за счет подземных вод зависит от геотермического градиента, коэффициента температуропроводности и скорости фильтрации подземных вод. Имеются формулы, положенные в основу практического использования терморазведки для определения скорости, а затем и коэффициента фильтрации подземных вод. Для выявления мест фильтрации вод из водохранилищ, каналов, рек и стволов скважин, а также интервалов, где утечки отсутствуют, можно использовать измерение естественных тепловых полей. Участки сосредоточенной фильтрации выделяют по температурным аномалиям, знак которых зависит от температурного режима акваторий. Более четкие результаты получают при искусственном электрическом подогреве воды, например, в скважине. По скорости восстановления температур можно не только качественно выявить места утечек, но и оценить скорости фильтрации.

В геоэкологических исследованиях шпуровую терморазведку можно использовать для изучения теплового загрязнения, выявления отходов промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Измерение температуры горных пород производится по стандартной методике [2].

Изобретение основано на том, что растворение соляных пластов осуществляется при поступлении пресных вод из верхних, более холодных горизонтов и понижение температуры ВЗТ является индикатором проникновения подземных вод в соляную толщу.

Другим аргументом для измерения температуры ВЗТ является возможность фиксации процесса растворения каменной соли, основанная на использовании эндотермического эффекта растворения. Поглощение тепла из окружающей среды при растворении соли связано с раздвиганием ионов от расстояния их в решетке кристалла до среднего расстояния между ними в растворе данной концентрации [3].Так, при растворении 380 г каменной соли в 1 л воды температура раствора понижается на 2,5°С, а при растворении 300 г калийной соли в 1 л воды температура раствора понижается на 12,5°С. То есть при растворении пласта будет происходить понижение температуры, которое в соответствии с законами передачи тепла будет распространяться на окружающее пространство. Необходимо констатировать, что температурная аномалия будет иметь тот же знак, что и при поступлении в ВЗТ холодных вод из верхних горизонтов.

Таким образом, по результатам температурного мониторинга можно достаточно уверенно контролировать изменение гидродинамической обстановки в аномальных зонах водозащитной толщи и оперативно принимать необходимые решения.

Изобретение аналогов не имеет.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

При вскрытии горными выработками аномальной зоны производят ее детальное геологическое описание, изучают электро- и сейсморазведочными методами, выявляют степень ее опасности. Затем определяют сеть и частоту режимных геофизических наблюдений. После начала процессов расслоения и обрушения пород кровли в боковой стенке горной выработки, пройденной в аномальной зоне по верхнему отрабатываемому пласту, производят бурение горизонтальных шпуров длиной 1 м и при расстоянии между ними, колеблющемся в зависимости от размеров и степени опасности аномалии от 10 до 100 м, затем устанавливают в призабойной части шпуров термометры для измерения температуры соляных пород и при понижении температуры на 10-20 процентов, свидетельствующем о начале процессов проникновения в соляную толщу из вышележащих водоносных горизонтов холодных подземных вод и растворения в них солей, сопровождающегося понижением температуры, уточняют местоположение и конфигурацию области развития данных процессов. Далее начинают подготовку к осуществлению мероприятий по ликвидации в горных выработках возможных рассолопроявлений.

Источники информации

1. Хмелевской В.К. Применение терморазведки для изучения геологической среды. М.: МГУ, 1997.

2. Грунты. Метод полевого определения температуры. ГОСТ 253583/4-82.

3. Галургия: Теория и практика / Под ред. И.Д.Соколова. - Л.: Химия, 1983.С.143.