Введение к работе
Актуальность проблемы. Открытая разработка кимберлитовых место-їждений Якутии в настоящее время характеризуется тем. что вскрытие шасов руды на глубинах более 300-350 м осуществляется в зонах ин-нсивной обводненности горного массива (трубки "Мир"."Интернацио-ільная","Удачная"."Юбилейная" и др.). Напорные подмерзлотные подомные воды, имеющие минерализацию 90-350 г/л. с растворенными роводородом. газами тяжелых углеводородов, солями щелочных и ред->земельных металлов, в ряде случаев промышленного содержания, сос-: доточены в голщах трещиноватых и трещиновато-пористых горных по-ід при температуре минус 1.5-2.5 град. С. Их откачка на поверхность использованием скважинных систем осушения и карьерного водоотлива >и дебитах, достигающих 1200-1700 мЗ/час, служит источником зколо-іческой напряженности в регионе, приводит к необратимым изменениям щрогеологического режима, загрязнению земной поверхности, рек и 'мосферы, оказывает вредное влияние на условия труда и зксплуата-по горного оборудования.
При разработке, например, трубки "Мир" открытым способом, вы-ілненной до глубины 460 м под защитой системы осушения, объем отбиваемых подземных рассолов в период 1978-1987 г. и их утилизации іросом в бассейн рек Вилюй-Лена составил более 70 млн. куб. метров.
В связи с негативным влиянием на окружающую среду откачиваемых і карьеров высокоминерализованных вод, постановлением правительства ) мерах по усилению охраны морей, рек и других водоемов Арктическо-I бассейна от загрязнения" их сброс в реки с 1988 г. запрещен.
фактическая неготовность производств к обезвреживанию значи-ільньк количеств откачиваемых рассолов, невозможность их бессточ-іго складирования и длительного хранения на земной поверхности, юокие запасы алмазов в рудных телах, заключенных в водоносных шлексах мощностью более 200 м, - являются основанием для изыска-га и привлечения в технологию открытой разработки алмазорудных юторождений альтернативных экологически "чистых" решений по заши-! глубоких карьеров от подземных вод. Основой в получении таких їшений могут послужить известные направления в области борьбы с ідземньши водами, базирующиеся на возведении прогивофильтрационных шее (ІИ8) в горном массиве методом тампонирования.
Сложность обеспечения эффективной защиты алмазорудных карьеров іутии от подземных вод тампонированием горных пород заключается в їм, что обводненность литологических слоев, их фильтрационные и фи-
4. зико-механические свойства на месторождениях характеризуются высокой неравномерностью. Резко различающиеся по проницаемости зоны во допроводящих трещин в водоносных комплексах карбонатных осадочных пород (известняки, доломиты, мергели, ангидриты), в тектонических разломах и в прилегающих блоках горных массивов; отрицательные тем пературы тампонируемых пород и высокая агрессивность подземных рас солов к материалам- в совокупности, определяют круг задач по выбор; тампонажных растворов и управлению их водоизолирующими и технологи ческими свойствами, обоснованию технологии сооружения завес и обес печению ее наибольшей унификации в отношении неоднородных условий среды тампонирования. Большие размеры карьеров' определяют необходи мость установления оптимальных конструкций завес, достижимых преде лов снижения проницаемости пород и получения надежных критериев ка чества, обеспечивающих оперативную оценку результатов водоизоляции и минимальные производственные затраты на водоэздиту.
Недостаточная изученность процессов движения и структурообразо вания тампонажных растворов - двухфазных жидкостей в "холодной" тр щиновато-пористой упругой среде с высокой неоднородностью трещинов тости и отсутствие в практике примеров защиты глубоких карьеров от подземных вод сооружением противофильтрационных завес в сложных ус ловиях алмазорудных месторождений Якутии и определили необходимост решения перечисленных выше задач в рамках актуальной и практически важной проблемы обеспечения технологии открытых горных работ эколо гически "чистыми" методами и средствами защиты от высокоминерализо ванных подземных вод.
Решаемые в диссертации задачи являются новым направлением в ра витии школы по борьбе с подземными водами в горном деле, созданной при непосредственном участии автора в объединении "Спецтампонажгео логия" под руководством член корреспондента Академии горных наук У раины, профессора Э. Я. Кипко при создании известного в стране и за рубежом комплексного метода тампонажа, основанного на широком испо зовании для водоизоляции горных выработок глиноцементних растворов
Тема диссертации связана с выполнением планов научно-исследова тельских и опытно-конструкторских работ ПНО "Якуталмаз" в 1978-198 по проблеме 0.09.01. .программа 05.05.: "Выполнить комплекс научно-к следовательских работ по проблеме тампонажа обводненных пород при работке месторождений Якутских алмазов и опытно-промышленную прове результатов в соответствующих горногеологических условиях", утвер* денной постановлением ГКНГ СССР от 28.07.1977 г. N349; и целевой кс лексной научно-технической программы О. Ц.039, подпрограмма 0.09.01 утвержденной постановлением ГКНГ СССР и Госплана СССР от 12.12.19Е N473/242, N ГОС. per. 02.85.003.90.28.
5.
Цель работы - разработать методы расчета и оценки надежности знструкций протяженных противофильтрационных завес, установить за-зномерности формирования их элементов при нагнетании тампонажних істворов через скважины под давлением в условиях неоднородности шьтрационных свойств, трешияоватости, литологии разреза, агреесив-эсти подземных вод и отрицательных температур горного массива, на ;новании которых создать методы и средства защиты глубоких алмазо-гдных карьеров Якутии от водопритоков, обеспечивающие повышение йективности открытых горных работ в сложных гидрогеологических
Основная идея работы - использование закономерностей процесса іижения и структурообразованкя тампонажній растворов (вязко-плас-ічньк двухфазных систем) под давлением в "холодной" трещиновато-по-гатой упругой среде обводненного горного массива для установления зфективных размеров зоны тампонирования с требуемой величиной сниже-гя проницаемости в теле формируемой завесы и применения аппарата іализа процесса для управления противофильтрационными качествами танизуемой водозащиты карьера
Задачи исследований:
-
Установить типовые особенности зон водопроводявдх трещин на [мазорудных месторождениях Якутии и их влияние в практически важных дачах борьбы с подземными водами методом тампонирования.
-
Определить рациональные составы и реологические параметры тампо-іжньк растворов для условий агрессивного влияния подземных рассолов отрицательной температуры горного массива
-
Обосновать, сформулировать и решить задачу по изучению законо-рноотей движения вязко-пластичных двухфазных систем под давлением "холодной" трещиновато-пористой упругой среде водоносного горизонта.
-
Разработать аппарат анализа размеров зоны тампонирования из дельной скважины и величины снижения проницаемости в теле формиру-ой завесы на основе закономерностей движения вязко-пластичной жилети (раствора) под давлением по зонам водопроводящих трещин.
-
Разработать методы расчета констукций протяженных противофиль-ационных завес, мероприятия и технологические схемы, обеспечивагаие дозащиту карьеров методом тампонирования с достижимым пределом сияния проницаемости в обводненном массиве.
-
Испытать мероприятия и технологические схемы сооружения прогя-нных противофильтрационных завес, установить достижимые пределы икения проницаемости; внедрить разработанные методы и средства в оизводство.
6.
Методы исследований включают: научный анализ и обобщение опыта; экспериментальные -в изучении тампонажних растворов; аналитические в исследовании движения вязко-пластичных двухфазных систем в "холо; ной" трещиновато-пористой упругой среде; гидродинамические -в опре; лениях фильтрационных характеристик массивов; экспериментальные - і исследовании процесса тампонирования на моделях (с использованием физического моделирования) и в натурных условиях, сравнение результатов с расчетными; анализ промышленных испытаний системы оценок ре зультативности водоизоляции с обработкой на ЭВМ; промышленную проверку результатов разработок при сооружении протяженных НТО.
Объекты исследований - алмаэорудные карьеры ПНО "Якуталмаа", зашиваемые от подземных вод противофильтрационными завесами, обводненные горные массивы в естественном и затампонированном состоянии.
Научные положения, задаваемые автором.
-
Формирование протампонированной области в горном массиве воі руг скважины нагнетанием в зоны водопроводяших трещин в качестве т; понажных растворов вязко-пластичных двухфазных систем происходит пі сложном взаимодействии факторов, действующих на различных масштабні уровнях. Определяющую роль при этом играют в каждом случае индивид: альные соотношения геофильтрационных и геомеханических параметров литологических слоев, характеризуемых в гидрогеомеханике козффициеі тами трещинной пусготности, упругоемкости, пористости в межгрещинні блоках, размерами трещин, а также - температуры горного массива
-
Бодоизодяционные качества сложной неоднородной структуры пр< тампонированной области, определяемые проницаемостью и показателем протампонированности в виде соотношения остаточной и первоначально: трещинной пусготности, падает по мере удаления от точки нагнетания динамику их убывания по радиусам можно определить расчетом на осно уравнения движения вязко-пластичной двухфазной системы в трещинова -пористой упругой среде с заданной предельной величиной раскрытия трещин с учетом объемов нагнетаемого раствора, экспериментально ус новденных закономерностей изменения его реологических параметров, намики возрастания давления нагнетания и набора фильтрационных геомеханических характеристик горного массива в тампонируемой зоне
-
Пространственно-временные закономерности формирования прота локированной области в отдельно тампонируемом из скважины интервал водоносного комплекса, проявляются в натуре в индивидуальной динам ке изменения давления по мере нагнетания нарастающего объема тампо нажного раствора, их анализ относительно водоизоляционных качеств каждом формируемой элементе завесы позволяет повысить надежность оценки и прогнова водоизоляционных свойств'протяженных завес, обес
7. эчить создание оптимальных их конструкций и технологии возведения.
4. Основой контроля водоизоляционных качеств протампонированной Эласти и оперативного управления сооружением протяженной противо-ильтрационной завесы с требуемыми в ее конструкции размерами тела и роницаемостью являются непрерывные измерения давления и расхода агнетания, структурной вязкости и динамического напряжения сдвига ампонажного раствора.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена соответс-вием результатов теоретических исследований экспериментальным лабо-аторным и промышленным испытаниям с точностью 14-15,сопоставимостью эзультатов, полученных различными методами, апробацией предложенных зтодов контроля и управления процессами сооружения ІИВ в производс-венных условиях, в исследовательских учреждениях, эффективностью эзультатов внедрения научных разработок при промышленной реализации объединении "Якуталмаз".
Научная новизна работы, заключающаяся в решении задачи гидрогео-гханики, связанной с распространением тампонажного раствора под дав-гнием в зонах водопроводяших трещин водоносного комплекса в горном іссиве, состоит в следующем.
-
Обоснована физико-математическая модель движения вязко-плас-ячной двухфазной системы раствора в зонах водопроводяших трещин зещиновато-пористых горных пород при радиальном распространении под авлением, в которой процесс движения учитывает закономерности прояв-эния неоднородности трещиноватости и пористости, упругих деформаций шпонируемых блоков, нестабильности реологических параметров раст-эра при охлаждении и огфильтровывании жидкой фазы.
-
Создан метод экспериментального исследования водоизоляционных ічеств тампонируемой области (проницаемости и остаточной трещинной гстотности) в формируемом элементе завесы, с использованием законо-Фностей движения вязко-пластичной двухфазной системы раствора в >нах трещин и наблюдаемой динамики изменения давления и расхода ігнетания, с учетом совокупности геофильтрационных и геомеханичес-IX характеристик тампонируемых слоев и непрерывного определения ре-югических характеристик нагнетаемого раствора.
-
Обоснованы и разработаны методики оценки коэффициентов прони-іемости, трещинной пустотности, упругоемкосги и величины прочности >род на разрыв в прискважинной зоне - на основе проведения в интер-шах тампонирования кратковременных гидродинамических испытаний в (иночной скважине, осуществляемых в зависимости от сложности геоло-іческого разреза при трех вариантах возбуждения горизонта и просле-гоания за восстановлением давления, для использования их в анализе
8.
процесса движения вязко-пластичной двухфазной системы раствора в тампонируемой зоне.
4. Разработана и обоснована методика расчета и дифференцированного выбора конструктивных (геометрических и фильтрационных) параметров протяженной противофильтрационной завесы в неравномерно трещиноватых зонах горного массива, базирующаяся на законе фильтрации трещиноватых средах; обоснованы практические технологические методі их обеспечения, основанные на управлении функцией давления от объе! нагнетания тапонажного раствора изменением реологических параметрої вязко-пласгичной системы раствора и динамики процесса его структурі образования корректировкой состава по результатам анализа водоизолі ционных качеств тампонируемой области в реальном времени. Личный вклад автора состоит:
в выборе задач, путей их решения и формулировке рабочих гипоп
в разработке физико-математической модели движения вязко-пластичной двухфазной системы тампонажного раствора в трещиновато-пор» той "холодной" упругой среде обводненных горных пород;
в разработке методик, постановке и проведении лабораторных и і турных экспериментов, обработке опытных данных и их обобщении;
в обосновании мер по предотвращению "вымерзания" глиноцементні гампонахных растворов для условий отрицательных температур и высок агрессивности подземных рассолов, в изучении их технологических свойств;
в разработке метода экспериментального исследования водоиэоля ционных качеств тампонируемой области на основе использования зако номерносгей движения вязко-пластичной двухфазной системы раствора под давлением в трещиновато-пористой "холодной" упругой среде тамп нируемого обводненного горизонта;
в создании автоматизированной системы и обосновании математич кого аппарата анализа водоизоляционных качеств тампонируемой сблас
ля их оценки, непосредственно в процессе нагнетания тампонажного раствора в реальном времени;
в формулировке и обосновании научных положений;
в разработке методики расчета и выбора конструктивных парамет ров протяженной противофильтрационной завесы в неравномерно трещин ватом обводненном горном массиве;
в обосновании и разработке системного комплекса способов и те пологий по защите горных работ от напорных подземных вод противофи трационными завесами для типизированных условий ашазорудных место рождений Якутии.
9.
Практическая ценность работы заключается в теоретическом обеспе-нии и создании аппарата оценки и анализа водоиэоляционных качеств теле формируемой противофильтращонной завесы в реальном времени , основе использования пространственно-временных закономерностей ижения вязко-пластичной системы тампонажного раствора в трещинова--пористой "холодной" упругой среде в условиях неоднородности филь-ационных свойств, трешиноватости и лигологического строения волосного комплекса; в разработке методов расчета и оценки надежности отяженных противофильтрационных завес и установлении эффективных параметров; в разработке системного комплекса способов и техноло-й по защите глубоких алмазорудных карьеров Якутии от подземных вод отивофильтрационными завесами, обеспечивающих повышение эффектив-сти открытой разработки.
1. Технология поинтервального тампонирования с управляемым обес-чением водоиэоляционных качеств по радиусу от скважины нагнетания зволяет формировать сомкнутую в плане и по глубине протяженную отивофильтрационнуга завесу в условиях неоднородной трешиноватости рных пород при однорядном расположении скважин с расстоянием между ми от 10 до 30 м, с остаточной проницаемостью 0,001-0,002 дарси, с змерами тела в плане 25-45 м по всей толше водоносного комплекса.
Z. Методы расчета и оценки надежности противофильтрационных за-с, технологические приемы управления водоизоляшонными качествами мпонируемой области вокруг скважины, основанные на регулировании раметров раствора, режимов давления и расхода нагнетания по ре-льтатам оценки протампонированности в реальном временя,- позволяют гимизировать количество и расположение скважин, объемы нагнетаемо-по ним тампонажного раствора и, в целом, затраты на сооружение зтивофяльтрационной завесы.
-
Обоснованный и рекомендованный для применения в "холодных" ловиях набор глиноцементних растворов с технологическими свойс-ами, обеспечивающими эффективную водоизоляцию и отвечающими приметаю современных тампонажних насосов в оптимальных диапазонах па-петров: структурной вязкости 0.02-0,06 Па. с, динамического іряжения сдвига 60-200 Па, начальной пластической прочности 15-0,50 КПа и ее конечного значения 0.15-O.SO МПа, - содержит, в гобладапцем количестве, тонкодисперсный глинистый раствор с плот-:тю 1200- 1350 кг/мЗ - 85-93 7. при добавках цемента 5-13 Z, отве-;т требованиям долговременной защиты горных выработок от подземных і в широком диапазоне гидрогеологических условий алмазорудных мес-эождений при использовании недорогих и доступных компонентов.
-
Комплекс методов и средств зашиты глубоких карьеров от высо-
10. коминерализованньк низкотемпературных подземньи вод сооружением прі тивофильтрациояяых завес, разработанный с учетом типизированных ус ловий адмазорудньк месторождений Якутии и внедренный в практику на карьере "МИР" при его реконструкции для разработки на глубину 525 : обеспечивает: снилэние на 3/4 объемов откачиваемых рассолов - до в< личины 300-350 мЗ/час, приемлемой для утилизации закачкой в недра; разработку рудного тела карьера в водоносном комплексе и бесцелико вую отработку нижележащих запасов (в целом, около 202).
Реализация работы. Теоретические, технологические, методически конструкторские разработки на различных этапах исследований реализ ваны при выполнении тематики ГКНГ СССР в соответствующих разделах комплексных программ научно-исследовательских работ: "Выполнить ко леке НИР по проблеме тампонажа обводнених пород при отработке мест рождений Якутских- алмазов и опытно-промышленную проверку результат в соответствующих горногеологических условиях"; "Разработать и осв ить способы осушения водоносных пород на глубоких горизонтах алмаз месторождений Якутской АССР"; вошли в инструктивно-методические ма риалы по проектированию и производству гампонажных раОот на алмазо рудных карьерах в качестве технологических регламентов: на сооруже противофильтрационной завесы - 1987 г. -, на осуществление автоматиз рованного метода контроля и управления поцессом тампонирования гор го массива на карьере "Мир" - 1990 г. Так же, вошли составной част в действующие нормы технологического проектирования, раздел: "Пред рительное подавление водопритоков при проходке шахтных стволов мет дом тампонажа горных пород ГОГП 6-76", согласованные Госстроем ССС утвержденные №гаугдепромом СССР; "Временную инструкцию по тампонал трещиноватых горных пород комплексным методом".
Научные и практические разработки по защите глубоких карьеров высокоминерализованных подземных вод сооружением противофильтрацис ных завес привлечены в практику проектирования и реконструкции ал* зодобыводих горных объектов постановлением Совета Министров СССР с 6.10.1986 г. N 1174-323 "О мерах по дальнейшему развитию алмазодо( вавдей промышленности и энергетики в Западной Якутии". Результаты исследований внедрены на объектах Мирнинского ГОНа ПНО "Якуталмаз' обеспечили снижение затрат по сооружению завесы на карьере "Мир" і размере 3,5 млн. руб за счет оптимизации процессов тампонирования.
Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельні ее разделы обсуждены и подучили одобрение на Республиканской научі технической конференции "Передовые методы геологоразведочных paGot наугольных месторождениях УССР"( Днепропетровск, 1975г.); научно-г<
11. юском совете Шнцветмета СССР (Мирный, 1981г.); технико-экономи-зком совете объединения "Ясуталмаз" (Мирный,1982г.); секции драг-галлов и алмазов управления "Главалмаззолото" при Совете Министров ЗР (Мирный,1989г.); научно-технических советах объединения "Спец-яюнажгеология" и института "Якутнипроалмаз" (1989, 1990г.г.).
В 1983 г. за отдельные разработки в создании эффективных глино-иентных растворов, обосновании теоретических положений процесса (тонирования и оценки качества водоизоляции обводненных горных noil, вошедшие составной частью в представленной диссертации, и соз-нный новый комплексный метод тампонажа в сложных горногеологичес-х условиях, диссертант, в числе авторского коллектива, удостоен зударственной премии СССР.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 47 научных 5от, в том числе, 1 монография, 2 инструкции, 20 авторских сви-гельств на изобретения.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, семи ав, заключения, списка литературы и трех приложений, содержащих кументы о практическом использовании результатов. Объем работы І71 раница, включая 260 страниц текста, 103 рисунка, 51 таблицу, спи-к литературы из 389 наименований и приложения на 11 страницах, тор выражает искреннюю признательность член корреспонденту Академии рных наук Украины, профессору Э. Я-Кипко, докторам технических наук, офессорам О. К1 Лупниковой, Ю. А. Полозову, В. Е Спичаку, к. г-м. н. Е Ы. Зуеву ценные замечания при обсуждении результатов исследований на разных апах, также, работникам института "Якутнипроалмаз", ПНСЯкуталмаз" ПО "Спецтампонажгеология" за содействие в реализации исследований.