Процессы управления массивом горных пород при геотехнологии.

Управление горным давлением при геотехнологии осуществляется выбором параметров технологии, системой расположения выработок, временем отработки и т.п.

Управление массивом горных пород при геотехнологии осуществляется в двух направлениях:

§ сдвижение массива горных пород в процессе отработки залежи;

§ изменение характеристик проницаемости массива горных пород перед началом добычных работ.

Геотехнологические способы делятся на две группы по принципу извлечения полезного ископаемого:

§ методы селективной выемки;

§ методы, предусматривающие полную выемку пласта полезного компонента;

Характер проявления горного давления при этих способах различен. При селективной выемке возможны два варианта:

§ горное давление не оказывает существенного влияния (извлекается небольшая доля полезного ископаемого по объёму);

§ горное давление оказывает существенное влияние, т.к. извлекается ощутимый процент полезного ископаемого.

При использовании методов, при которых извлекается пласт на полную мощность, так же выделяют два варианта:

§ призабойное пространство заполнено флюидами под высоким давлением;

§ с полным обрушением пород кровли.

Самым важным параметром геотехнологии является размер камер, так как от этого зависит извлечение, степень сдвижения массива, параметры технологического оборудования и т.п.

Наиболее актуальны процессы управления горным давлением при скважинной гидродобыче полезных ископаемых, т.к. пласт разрушается и отрабатывается на полную мощность.

Деформация кровли при скважинной гидродобыче начинается с плавного прогиба. Затем, при увеличении пролёта камер (около 14 м), начинается постепенное расслоение кровли и образование трещин. Дальнейшее увеличение размеров пролетов приводит к обрушению кровли. При относительно небольшой мощности покрывающих пород свод обрушения достигает поверхности. Однако уже при глубине 40 м изменения на поверхности земли практически не наблюдаются при обычных размерах камер.

Как показал опыт эксплуатации скважинной гидродобычи, при ширине камеры 14 м междукамерный целик оказывается устойчивым при ширине 4 м при любой мощности покрывающих пород.

Форма мульды сдвижения поверхности в плане представляет собой симметричную фигуру – воронку, образовавшуюся в результате отработки скважины.

Круглая форма мульды свидетельствует о равномерном оседании поверхности. Скорость оседания поверхности в мульде колеблется от 0,6 до 21,6 мм/мес. Максимальные скорости оседания наблюдаются через 2 месяца после окончания отработки камеры. Таким образом, в результате отработки скважин и образования площадей обнажения вся налегающая толща до поверхности прогибается плавно, без расслоения. Предварительный угол сдвижения составляет около 43°.

Процесс сдвижения в затопленных камерах существенно замедляется.

Имеются предложения по заполнению отработанных камер закладочным материалом, представляющим собой песок, дробленую породу или отходы производства.

Принципиальная схема отработки залежи с закладкой выработанных блоков приведена на рис. 6.

Здесь отработка залежи фосфоритосодержащих песков ведется блоками. Разрабатываемый блок 1 вытянут и отрабатывается через ряд геотехнологических скважин на всю длину блока. Отбойка руды ведётся слоями в восходящем порядке. Расположенный рядом блок образует целик 2. Следующий за целиком блок и блок, расположенный за очередным целиком, образуют закладываемые блоки 3. После заполнения последних закладочным материалом приступают к слоевой разработке целиков 4. При необходимости полностью исключить сдвижение массива, производят закладку отработанных целиков 5.

Особенно эффективен метод управления массивом горных пород закладкой, когда в качестве закладочного материала используются отходы производства и вредные вещества. Один из возможных способов захоронения твердых промышленных отходов в геотехнологических выемках приведен на рис. 7.

Способ осуществляется следующим образом. Из добычной скважины 1 осуществляется отработка полезного ископаемого одним из геотехнологических методов (предпочтительнее подземное растворение солей во избежание фильтрации через массив), в результате чего образуется подземная полость 2.

Подлежащие захоронению твёрдые отходы подают в автоклав 3, оснащённый мешалкой, в котором их суспендируют в жидкости с превосходящей их плотностью, температура кипения которой ниже температуры вмещающих подземную полость горных пород. Подготовленную суспензию заливают в скважину. По истечении некоторого времени жидкая фаза суспензии, подогреваемая теплом земных недр, начинает испаряться и уровень налива суспензии в скважине понижается.

Для обеспечения возможности повторного использования применяемой жидкости устье скважины подключают к системе сжижения выходящих из неё паров, состоящей из компрессора 4, конденсатора 5 и ресивера 6. По прекращении поступления отходов жидкости скважину отключают от системы сжижения, а оставшийся погребённым в недрах материал замуровывают цементным раствором.

Для осуществления способа могут быть использованы в зависимости от свойств захороняемых материалов различные галогенпроизводные алканов, жидкий ксенон и другие жидкости с высокой плотностью и низкой температурой кипения.

В сравнении с известным способом, заключающимся в гидротранспортировании предварительно суспендированного в жидкости захороняемого материала в выработанное пространство с последующим расслоением этой суспензии в затопленной ею горной выработке, сливом отстоявшееся жидкой фазы и откачиванием осветленной от твёрдой фазы жидкости на дневную поверхность для повторного использования, данный способ не требует монтажа насосов и трубопроводов, позволяет снизить энергозатраты, повысить степень использования выработанного пространства. Кроме того, полость заполняется закладываемым материалом под самую кровлю, т.к последний находится на плаву. Это обеспечивает исключение сдвижения массива горных пород из-за неполноты заполнения полости, что очень важно при захоронении радиоактивных и токсичных отходов.

Для создания фильтрационных каналов в горном массиве, обеспечивающих движение рабочих и продуктивных флюидов, используют гидроразрыв пласта. Он приводит к хрупкому разрушению массива с расширением старых и образованием новых трещин. Для закрепления трещин, в них нагнетают твёрдый материал, например, кварцевый песок.

Особенно важно использование этого метода при подземном выщелачивании урана. Повышение проницаемости массива позволяет увеличить расстояние между добычными скважинами. Существует большое число методов повышения проницаемости массива. Основными из них являются различного рода воздействия на залежь: пневмо- и гидрорасчленение; использование энергии криогенных газов в различных режимах и сочетаниях; использование энергии взрыва; физико-химическое, электрическое, виброволновое и акустическое воздействие. Эти способы находятся в различной стадии разработки, но наиболее освоено гидрорасчленение.

При подземном выщелачивании необходимо управлять потоками рабочей жидкости, чтобы исключить её проникновение за контуры отрабатываемой залежи и не допустить фильтрацию подземных вод в рабочую зону. Для предотвращения растекания продуктивных растворов и фильтрации подземных вод, используют противофильтрационные завесы, которые могут сооружаться как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Для сооружения вертикальных барьеров бурят ряд барражных скважин, которые можно располагать как вдоль, так и поперек залежи. Для сооружения горизонтальных барьеров барражные скважины бурятся по площади до места возведения завесы. Для создания завесы в скважины нагнетается твердеющий материал (цемент, синтетические смолы и др.). Химические барьеры создаются нагнетанием в скважины веществ, которые затвердевают после взаимодействия друг с другом и пластовой водой.

Контрольные вопросы

1. Какие технологии применяют для предотвращения растекания продуктивных растворов и фильтрации подземных вод при подземном выщелачивании?

2. Какую технологию используют для создания фильтрационных каналов в горном массиве, обеспечивающих движение рабочих и продуктивных флюидов?

3. Какие проявления горного давления соответствуют различным геотехнологические способам извлечения полезного ископаемого?

4. Как обеспечить исключение сдвижения массива горных пород из-за неполноты заполнения полости, образованной в результате подземного растворения солей?