способ осушения бортов карьеров с помощью систем комбинированных дренажных устройств

Формула изобретения

Способ осушения бортов карьеров с помощью систем комбинированных дренажных устройств, включающий систему комбинированных дренажных устройств, закладываемых с уступа карьера нормально борту у почвы водоносного горизонта и состоящих из горизонтальной и близкой к вертикальному положению ветвей дренажной скважины, оборудованных гибким фильтром, при этом протяженность горизонтальной части определяют с учетом величины заходки и технических возможностей применяемого бурового оборудования, перевод горизонтальной ветви устройства в вертикальное положение осуществляют с помощью забойного двигателя и отклоняющих устройств, протяженность вертикальной части комбинированного устройства определяют в зависимости от мощности дренируемого водоносного горизонта, поэтому проходка вертикальной ветви дренажного устройства завершается после вхождения забоя в породы водоупорной кровли дренируемого пласта, бурение комбинированного дренажного устройства в неустойчивых породах, например в песках, выполняют в поэтапно-горизонтальной части ствола под защитой «глухой» инвентарной колонны обсадных, затем извлекаемых труб, проходку вертикальной ветви дренажного устройства с целью обеспечения устойчивости его стенок осуществляют с применением самораспадающихся или гипановых буровых растворов, после завершения проходки вертикальной части ствола породоразрушающий инструмент отсоединяют и оставляют в массиве, а забойный двигатель извлекают по закрепленному фильтром стволу комбинированного устройства, водоотведение дренажных вод осуществляют по системе прибортовых канав.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки обводненных месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Из современного технического уровня известен поверхностный способ осушения карьеров. Наиболее распространенной является двухконтурная система расположения дренажных устройств (фиг.1), [Кравчук С.В., Кузькин B.C., Пономаренко Ю.В. и др. Справочник по осушению горных пород. М.: Недра, 1984; Оксанич И.Ф., Береснев B.C., Гордон А.Б. и др. Осушение месторождений при строительстве железорудных предприятий. М.: Недра, 1977], которая включает внешний заградительный дренажный контур 1, состоящий из линии водопонижающих скважин, которые сооружаются по периметру карьера или вдоль наиболее обводненной части борта. Внутренний (второй) контур 2 может включать прибортовые дренажные канавы или систему горизонтальных дренажных скважин, задаваемых с уступов в борт карьера нормально линии основания откоса в плане. Депрессионная поверхность 3 подземных вод в этом случае формируется под воздействием дренажных устройств обоих контуров. Второй дренажный контур предназначен: для перехвата проскока подземных вод через внешний дренажный контур, для снижения гидростатического взвешивания и гидродинамического давления вод проскока, высоты высачивания на откос, что необходимо для предупреждения развития суффозионного процесса, оплывания и других негативных геологических явлений, и в конечном итоге для обеспечения необходимой устойчивости прибортового массива пород и безопасности ведения горных работ.

Этот широко применяемый способ защиты открытых горных работ с помощью систем водопонижающих скважин и преимущественно горизонтальных скважин имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся:

- необходимость выполнения дренажных работ на двух уровнях - на поверхности с внешней стороны карьера и внутри карьера на одном (или нескольких) уступах;

- применение при выполнении дренажных работ различных типов буровой техники;

- оборудование водопонижающих скважин погружными насосами;

- большое число одновременно эксплуатируемых насосов, что снижает надежность защитной системы;

- необходимость обеспечения подъездных дорог к дренажным контурам;

- необходимость устойчивого энергоснабжения и обслуживания водопонижающих скважин;

- строительство системы водоотведения дренажных вод на обоих уровнях;

- опасность разрушения (повреждения) водопонижающих скважин при перемещении горно-транспортного оборудования и при разнесении бортов карьера;

- необходимость бурения на осваиваемых сейчас месторождениях водопонижающих скважин значительной глубины;

- сложность конструкций водопонижающих скважин, пересекающих чаще всего слоистую толщу покровных отложений, содержащую несколько водоносных горизонтов;

- необходимость оставления в водопонижающих скважинах столба воды для создания нормальных условий эксплуатации (охлаждения) насосного оборудования, что создает условия для увеличения проскока подземных вод через заградительную установку и в целом снижает ее дренажный эффект;

- возможность проникновения с поверхности через устья водопонижающих скважин различного рода загрязнений в водоносные горизонты, пересекаемые водопонижающими скважинами, что вызывает необходимость выполнения гидроизоляционных работ;

- значительный объем ремонтных работ в процессе эксплуатации водопонижающих скважин.

Описанная выше система осушения открытых горных работ, опирающаяся на применении двух различных типов дренажных устройств, выбрана в качестве прототипа заявленному изобретению по осушению карьеров и разрезов с помощью систем из новых комбинированных дренажных устройств. Применение комбинированных дренажных устройств позволяет осушение бортов карьеров осуществить одноконтурной дренажной системой, лишенной наиболее существенных недостатков, относящихся к прототипу.

Технические результаты, которые могут быть получены при использовании предлагаемого дренажного устройства:

- переход на одноконтурную дренажную систему осушения бортов карьеров;

- отказ от применения водопонижающих скважин на стадии эксплуатации, характеризующихся сложной конструкцией и значительными глубинами бурения;

- повышение надежности и технической эффективности дренажных систем и упрощение их эксплуатации и в связи с отказом от применения скважинных погружных насосов;

- повышение устойчивости бортов карьеров, безопасности ведения горных работ, возможность увеличения углов заоткоски уступов;

- безаварийная эксплуатация дренажных систем;

- снижение уровня потребления электроэнергии;

- исключение возможности проникновения загрязнений в чистые дренажные воды, поскольку комбинированные устройства не выходят на поверхность, что решает проблему охраны подземных вод.

- и, наконец, повышение экономических показателей работ по осушению карьеров.

Решение поставленной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что осушение прибортового массива пород предлагается осуществлять системой новых дренажных устройств.

Новый тип дренажного устройства 4 образован в результате комбинационного слияния вертикальной водопонижающей скважины с горизонтальной дренажной скважиной, закладываемой с уступа нормально борту карьера, у почвы водоносного горизонта, как это показано на фиг.2.

Переход к применению комбинированных дренажных устройств осуществляют после вскрытия разрезной траншеи и первоочередного участка горных работ, осуществленных под защитой традиционной заградительной системы, выполненной в виде линейного ряда водопонижающих скважин и прибортовых канав (траншей). С этого момента строительство новых водопонижающих скважин не производят. В дальнейшем параллельно развитию горных работ сооружается контур из комбинированных дренажных устройств.

Новое дренажное устройство забуривают у основания уступа нормально борту карьера, непосредственно у почвы дренируемого водоносного горизонта.

С целью предупреждения заиливания скважин частицами пород, проникающими через фильтр, скважину проходят под углом 2-3° к горизонту.

После проходки горизонтальной части дренажного устройства осуществляют плавный перевод скважины в близкое к вертикальному положение.

Известные трудности представляет собой бурение в рыхлых неустойчивых песках. Исходя из этого горизонтальную часть скважины проходят, например, буровой установкой УЛБ-130М под защитой «глухой» инвентарной обсадной колонны. Переход к вертикальной части комбинированного дренажного устройства выполняется с применением забойного двигателя, доставляемого на забой через рабочую обсадную колонну на бурильных трубах. На двигатель надевается кольцо, закрепленное на фильтровой колонне. Это кольцо опирается на кольцо, приваренное к забойному двигателю, что создает возможность перемещения фильтровой колонны вместе с забойным двигателем. Внутренний диаметр фильтровой колонны превышает наружный диаметр двигателя. В то же время диаметр породоразрушающего инструмента, соединенного с двигателем легкоосвобождающимся переводником, должен превышать диаметр протягиваемой фильтровой колонны. Это позволит после достижения заданной длины скважины освободить двигатель и беспрепятственно извлечь с бурильными трубами из скважины через фильтровую колонну. Затем извлекается рабочая (обсадная) колонна.

Устойчивость стенок скважины и снижение сил трения бурильной и обсадной колонн при бурении обеспечит промывочная жидкость на основе самораспадающихся, или гипановых, растворов, создающих на стенках скважины эластичную корку, которая разрушается при прокачке скважины.

Удаление разрушенной породы в процессе бурения производится потоком промывочной жидкости, подаваемой насосом в колонну бурильных труб.

Искривление скважины производится за счет применения забойного двигателя и отклоняющих устройств:

- отклонитель типа Р-1;

- турбинный отклонитель типа ОТС и др. [Калинин А.Г., Левицкий А.З. Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые. М.: Недра, 1988]. Выбор отклоняющего устройства производится в соответствии с конкретными геолого-техническими условиями бурения.

Бурение вверх в вертикальном направлении ведется до полного пересечения дренируемого водоносного горизонта, т.е. протяженность вертикальной части устройства определяется в зависимости от мощности дренируемого водоносного горизонта. Проходка скважины завершается после выхода забоя комбинированной скважины в породы водоупорной кровли дренируемого горизонта.

Водоотведение дренажных вод осуществляется по системе прибортовых канав к центральной насосной станции на отрабатываемом горизонте.

Сооружение предлагаемых дренажных устройств нового типа выполняют поэтапно. Вначале, например, установкой УЛБ-130М проходят горизонтальную часть устройства на проектную глубину, установленную с учетом величины заходки, с последующей посадкой фильтра и извлечением «глухой» инвентарной обсадной колонны труб. Бурение восходящей части устройства проходят с применением забойного двигателя, с помощью которого одновременно по буримой скважине протягивается гибкий (синтетический) фильтр, диаметр которого должен быть больше диаметра забойного двигателя на 2-4 дюйма. Бурение выполняется наконечником, диаметр которого превышает диаметр фильтра на 2".

Наиболее сложно выполнять бурение в рыхлых неустойчивых породах, например в обводненных песках. В этих случаях в процессе бурения вертикальной части комбинированного дренажного устройства для обеспечения устойчивости стенок ствола применяют самораспадающиеся, или гипановые, буровые растворы [Башкатов Д.Н. и др. Справочник по бурению скважин на воду. М.: Недра, 1979].

Бурение завершается в водоупорных устойчивых породах, перекрывающих дренируемый водоносный горизонт. После окончания проходки вертикальной ветви дренажного устройства буровой инструмент отсоединяется и оставляется в массиве, забойный двигатель извлекаются по закрепленному фильтром стволу комбинированной скважины.

Для сооружения комбинированных дренажных устройств можно использовать зарубежные специальные буровые установки, выпускаемые в ФРГ и США.

Практическое применение комбинированного дренажного устройства показано на примере осушения нерабочего борта карьера на Приоскольском железорудном месторождении (Проектируемый Приоскольский ГОК).

В разрезе Приоскольского месторождения выделены шесть водоносных горизонтов: современный аллювиальный водоносный горизонт (alN), турон-коньякский водоносный горизонт (K₂t-k), альб-сеноманский (Kal-s), юрский водоносный горизонт (J), средне-верхнедевонский водоносный комплекс (D_2-3) и архей-протерозойский водоносный комплекс (Аr-Рr).

Наиболее водообильным, выдержанным по мощности и распространению является альб-сеноманский водоносный горизонт (Kal-s). Литологически он представлен мелко- и среднезернистыми песками, в нижней части разреза - крупнозернистыми песками с включениями гальки. Нижним водоупором горизонта являются юрские глины мощностью 2-4 м. Мощность горизонта колеблется от 27 до 30 м. Разрез месторождения представлен на фиг.3.

Воды горизонта напорные, величина напора по площади месторождения изменяется от 17 м до 35 м. Фильтрационные свойства горизонта характеризуются значениями водопроводимости от 150 до 500 м ²/cyт. Коэффициент пьезопроводности ~4·10³ м²/сут.

Альб-сеноманские пески намечается вскрыть двумя уступами. Основные проблемы обеспечения устойчивости бортов связаны с осушением песков горизонта. Для указанных целей необходимо предусмотреть выполнение комплекса дренажных мероприятий. На этапе строительного водопонижения на первоочередном участке предусматривается традиционная линейная система водопонижающих скважин. На стадии эксплуатации целесообразно предусмотреть систему из комбинированных дренажных устройств, которые закладываются у кровли песчанистых юрских глин.

На нерабочих бортах длина горизонтальной части комбинированной скважины назначается равной 50 м, затем скважина переводится в вертикальное или близкое к нему положение, как это показано на фиг.2 и фиг.3. Бурение вверх проводится до вскрытия мелов турон-коньякского горизонта, то есть около 40 м. Расстояние между смежными комбинированными скважинами определено равным 30-40 м. По результатам укрупненных гидродинамических расчетов установившийся дебит одной взаимодействующей комбинированной скважины равен ~1050 м³/сут, дебит высачивания подземных вод на участке между двумя смежными скважинами не превышает 48 м³/сут, что не оказывает заметного влияния на снижение общей устойчивости песков альб-сеноманского горизонта в откосах.