автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка инженерно-геологических методов оценки влияния скважинной гидродобычи на массив горных пород

Государственное унитарное предприятие ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ОСУШЕНИЮ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, ЗАЩИТЕ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТ ОБВОДНЕНИЯ, СПЕЦИАЛЬНЫМ ГОРНЫМ РАБОТАМ, ГЕОМЕХАНИКЕ, ГЕОФИЗИКЕ, ГИДРОТЕХНИКЕ,- ГЕОЛОГИИ

И МАРКШЕЙДЕРСКОМУ ДЕЛУ ВИОГЕМ

На правах рукописи

Колесников Василий Ильич

УДК 622.1:622.271

РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ НА МАССИВ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.01 - "Маркшейдерия"

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ д. т.н. Журин С.Н.

Москва 199 9

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

Введение 3

1 Анализ горно-технологических особенностей скважинной гидродобычи ^

1.1 Технологические решения 7

1.2 Развитие выработанного пространства 12

1.3 Горно-геологические информационные системы 15

1.4 Скважинные методы контроля сдвижения 19

1.5 Задачи исследований 24

2 Геолого-геомеханическая модель месторождения 2 6

2.1 Геологическое обеспечение модели 2 6

2.2 Инженерно-геологическое обеспечение модели 36

2.3 Геомеханический прогноз естественной силовой обстановки

3 Натурные наблюдения за сдвижением с использованием естественных радиоактивных

реперов 58

3.1 Прямая задача о смещениях реперов 58

3.2 Анализ стабильности реперов 62

3.3 Реперная станция СГД 7 7

4 Сдвижение рудного массива и покрывающей толщи пород в зоне гидродобычных работ

4 .1 Результаты натурных наблюдений и их

интерпретация 4 .2 Прогноз сдвижения массива при условии

максимизации нагрузки на скважину ^^

4.3 Реализация результатов работы на

Гостищевском месторождении ^^

Заключение 106

Список использованных источников 109

Приложения: 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития принципиально новых горных технологий являются скважинные методы разработки твердых полезных ископаемых. Скважинная гидродобыча (СГД) обеспечивает быстрое развертывание и ведение добычных работ практически в любой заданной точке рудного тела. Технология позволяет гибко изменять состав и качество добываемого полезного ископаемого. Способ также расширяет диапазон горногеологических условий, доступных для безопасного освоения, за счет возможности добывать неустойчивые обводненные полезные ископаемые под мощной толщей пород. Наиболее перспективными являются предприятия СГД, добывающие сырье высокого качества. Так, рыхлые железные руды КМА в недрах содержат 61—63 % железа, добытые способом СГД — 66—67 %, а традиционным подземным способом — 60—62 %. При этом в продукте СГД существенно уменьшается содержание кремнезема, глинозема, фосфора, серы, щелочноземельных элементов, обеспечивая получение весьма дефицитного суперконцентрата. Цена продукции СГД в этом случае (2 6— 28 долл./т) значительно превышает цену рядового концентрата (18—19 долл. /т) /1/.

Однако сегодня промышленная технология разработки месторождений твердых полезных ископаемых способом СГД пока еще не создана, в стране нет ни одного промышленного рудника по скважинной гидродобыче. В значительной мере применение СГД ставится под сомнение уже на стадиях предварительных проектных проработок из-за невозможности однозначного ответа на вопрос о характере деформирования массива и дневной поверхности. Решение этих вопросов будет способствовать развитию СГД полезных ископаемых. По-

этому разработка инженерно-геологических методов оценки влияния СГД на массив горных пород является актуальной научной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР института ВИОГЕМ (научно-исследовательская работа № государственной регистрации 0196009621), где автор принимал участие как исполнитель. Диссертация соответствует ХЛПрограмме создания и освоения технологии скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА" (приказ Мингео СССР и МЧМ СССР № 216/314) и проекту Миннауки РФ "Создание технологии скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых" (приказ Миннауки РФ № 054 от 31.03.1992 г.)

Цель работы - разработка инженерно-геологических методов оценки состояния массива горных пород, обеспечивающих повышение обоснованности применения и эффективности технологии СГД за счет опережающего прогноза и текущего контроля процессов сдвижения горных пород.

Идея работы заключается в использовании естественной радиоактивности слоев в качестве реперов для оценки сдвижения горного массива.

Новизна работы заключается в установлении закономерностей процесса сдвижения массива горных пород при СГД с использованием геолого-геомеханических моделей месторождений и скважинных наблюдений за сдвижением толщи массива .

Основные научные положения, разработанные лично соискателем.

1.Оценка эффективности применения СГД на стадии предварительного выбора способа отработки месторождения обеспечивается созданием модели участков отработки месторождений на основе баз данных геологической информа-

ции, учитывающей изменение конфигурации зоны ведения горных работ при различных значениях бортового содержания полезного компонента, инженерно-геологические условия и естественную силовую обстановку массива.

2. Контроль сдвижения мощной обводненной толщи слабых пород обеспечивается методом скважинных наблюдений, использующим естественные радиоактивные реперы, с учетом мощности реперной аномалии, разности горизонтов реперов в рабочей и опорной скважинах и соотношения модулей деформации реперного слоя и массива.

3.Предельная технологическая нагрузка на гидродобычную скважину зависит от характера протекания процесса сдвижения, определяемого формой выработанного пространства на начальном этапе отработки скважины.

В качестве основных методов исследования приняты анализ и обобщение информационных источников, фондовых материалов, лабораторные исследования, методы математической статистики, численное моделирование на ЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается

- удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальной оценки сдвижения массива по предлагаемому методу с другими известными методами; погрешность результатов измерений не превышает 15-20%; коэффициенты корреляции зависимостей не ниже 0,9;

- положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций в практику проектирования СГД.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей сдвижения массива в зоне влияния работ СГД и определении метрологических характеристик метода наблюдений за сдвижением с использованием естественных радиоактивных реперов.

Практическая значимость работы состоит в разработке геолого-геомеханических моделей, используемых для оценки применимости технологии СГД при изменяющемся граничном содержании полезного компонента в рудном теле, и применении метода естественных радиоактивных реперов для контроля процесса сдвижения обводненных массивов на больших глубинах.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационного исследования использованы институтом Центрогипроруда для разработки технического проекта по освоению Гостищевского месторождения КМА способом СГД.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на 5-м Международном симпозиуме "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, 1999) , на научных семинарах института ВИОГЕМ, кафедр геологии и маркшейдерского дела и геодезии МГГУ.

Автор выражает признательность научному руководителю д.т.н Журину С.Н и руководству НИИ ВИОГЕМ (академику МАМР, к.т.н. Ю.В.Пономаренко и д.т.н., проф. В.И.Стрельцову) за помощь в организации и проведении исследований .

1. АНАЛИЗ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СКВАЖИННОЙ

ГИДРОДОБЫЧИ 1.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Перспективы развития добычи полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи в России на современном этапе рассмотрены в работе /1/. Способ, согласно которому полезные ископаемые на поверхность земли поступают в виде гидросмеси через скважины, был предложен в 1932 г. Э. Клайтором в США и в 1936 г. П.М. Тупицыным. Основными технологическими операциями скважинной гидродобычи в соответствии с принципами, разработанными В.Ж.Аренсом, Н.И.Бабичевым, В.Л.Колибабой и рядом других исследователей /3,4,5/, являются бурение добычных, технологических и наблюдательных скважин, обсадка и оснащение их технологическим оборудованием; воздействие на добычную зону рабочим агентом, в качестве которого могут быть использованы вода, сжатый воздух, их смеси, механические устройства или подаваемые в скважину приспособления, приготовление и транспортировка пульпы к выдачному устройству в скважине; откачка пульпы из скважины; складирование, обезвоживание, и отгрузка готовой продукции.

Промышленная разработка технологии СГД была начата лишь спустя 30 лет. В 1964 г. сотрудниками ГИГХСа во главе с В.Ж.Аренсом /6,7,8/ этот метод был применен на месторождениях фосфоритов в Прибалтике. В 7Ох годах группа сотрудников МГРИ (Н.И.Бабичев, Д.П.Лобанов и др.) начала разработку технологии и технических средств СГД на месторождении уранофосфоритовых руд. В начале 90х годов список полезных ископаемых, на месторождениях которых были проведены опытные работы способом СГД, расширился: положительные результаты были получены на место-

рождениях россыпного золота, кимберлитов, титаноцирко-ниевых песков, железных руд.

На Болыиетроицком месторождении, являющемся основным полигоном технологии СГД на КМА., отработка богатых железных руд предполагалась при нескольких вариантах развития горных работ на месторождении /9,10,11/. Первичная выемка руды была направлена на предельно возможное извлечение руды из скважины с одного горизонта. Промышленная фронтальная отработка залежи предусматривала последовательный ввод скважин вплоть до массового обрушения массива. Площадная отработка залежи предусматривала одновременный ввод серии скважин по всему выемочному полю с максимально возможным извлечением полезного ископаемого. Осушения породного массива не предусматривалось. Используемая в технологическом процессе вода закачивается обратно в пласт, практически не нарушая естественного гидрогеологического режима пласта.

Сопоставление технологии СГД с традиционными способами отработки месторождений для условий Болыиетроицкого месторождения и укрупненная оценка экологического воздействия выполнены В.Л.Колибабой /12/. Основные результаты сопоставления представлены в таблицах 1.1. и 1.2.

Сущность разработки богатых железных руд Гостигцев-ского месторождения способом СГД изложена в технико-экономическом обосновании /14,15/, разработанном предприятием "БелГОК". Намечается поэтапное освоения месторождения, причем на первом этапе извлекаются только рыхлые руды, а на втором этапе производится повторное извлечение крепких руд либо способом СГД, либо традиционным подземным способом. Промышленная технология разработки месторождения будет создаваться в процессе эксплуатации. В целом предполагается последовательная отра-

Таблица 1.1

Сравнительные технико-экономические показатели метода скважинной гидродобычи с

предприятием-аналогом и горнодобывающими предприятиями Украины (ВИМС)

Наименование показателей СГД (ТЭР) Яковлевский рудник 1 очередь (проект) Запорожский ЖРК (1986 г) ПО Кривбассруда (1986)

Годовой объем производства, млн. тонн 4,34 4,34 3, 4 30, 6

Содержание железа в товарной руде, % 67, 00 60, 64 59, 82 53,46

Относительная себестоимость 1 т товарной руды, % 100 138/174* 169 157

Капитальные вложения, % 100 243 - -

Списочная численность, чел 873 1746 3517 28587

Годовая производительность, тонн/чел 4971/1064** 2486 2014 2075

Рентабельность, % 41,2 13, 4 10, 6 0,5

Срок окупаемости капитальных вложений, лет 2,52 7,7 — —

Примечания:

*

) сопоставление фактической себестоимости добычи 1994 года на Шемраевском участке и

комбинате КМАруда /13/; * *

) оценка по фактическим результатам опытно-методических работ /13/.

Таблица 1.2

Оценка степени воздействия на окружающую среду способов добычи полезного ископаемого

Уровень воздействия горного производства на элементы биосферы

Способ добычи водный бассейн воздушный бассейн флора и фауна земля и почва недра

Открытый Сильное Сильное Сильное Сильное Сильное

Подземный Среднее Отсутствует Незначительное Среднее Сильное

СГД Среднее Незначитель ное Отсутствует Незначитель ное Сильное

ботка технологии формирования добычных камер, апробация оборудования, определение наиболее перспективных вариантов системы разработки и окончательная оптимизация параметров системы разработки.

Для ведения горных работ выбрана камерная система разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями на первой очереди строительства и камерно-столбовая система с формированием искусственных потолочных и междупанельных целиков на второй очереди строительства. Технология ведения добычных работ предусматривает селективную отработку пласта по прочности. Способ управления кровлей и горным давлением - оставление рудных и формирование искусственных целиков, полная закладка выработанного пространства, укрепление массива. Система разработки третьей очереди строительства будет определена по результатам работ первых двух этапов. Все варианты системы разработки предусматривают сохранение целостности не только поверхности, но и толщи пород, залегающих над рудным телом, что обеспечивает высокую степень экологической защиты технологии.

Опыт отработки месторождений способом СГД в других регионах показывает, что наиболее важной особенностью способа СГД как нового развивающегося направления является большое разнообразие систем и способов выемки полезного ископаемого /16-22/, интенсивно защищаемых патентными документами. Отмечается, что наиболее эффективна отработка месторождений камерными системами с поддержанием открытой необводненной камеры, позволяющим управлять сдвижением и горным давлением путем оставления целиков, закладкой выработанного пространства, плавным опусканием кровли и обрушением налегающих пород.

1.2. РАЗВИТИЕ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА

При добыче полезных ископаемых способом СГД отработка залежи зачастую сопровождается интенсивным сдвижением горных пород, в отдельных случаях приводящим к остановке добычи и остановке горного предприятия /23/. Несмотря на это, вопросы сдвижения при СГД изучены весьма слабо. Сведения об инструментальных наблюдениях за процессом сдвижения в литературных источниках практически отсутствуют, объем количественной информации весьма ограничен. Теоретические или эмпирические закономерности, позволяющие оценить возможный характер поведения массива с учетом специфики метода СГД, отсутствуют. Детально разработанные вопросы прогноза сдвижения, полученные при традиционных способах ведения горных работ С.Г.Авершиным /24/, А.Г.Акимовым /25,26,27/, И.М. Бахуриным /28/, В.И.Борщ-Компанийцем /29/, Д.А.Казаковским /30/, Д.М.Казикаевым /31/, Г.Кратчем /32/, А.Б.Макаровым /33/, Медянцевым А.Н /34/ и вошедшие в нормативные документы /35,3 6/, не могут быть использованы без изменений.

Таким образом, особенности сдвижения массива при СГД могут быть изучены только путем комплексных исследований, основанных на результатах промышленных экспериментов .

Такие работы на Шемраевском участке Большетроицкого месторождения КМА велись в трех добычных скважинах в период с октября 1990 года по апрель 1995 года. Геомеханическое обеспечение экспериментальных работ в части контроля и прогноза процессов сдвижения осуществлялось институтом ВИОГЕМ /37,39,39/. Для оценки вероятных параметры и формы выработанного использована информация о поинтервальном извлечении руды из скважин. Основываясь на предположении, что при ведении добычных работ в вы-

бранном интервале глубин поступление рудного материала происходит с боковой поверхности скважины равномерно с каждого погонного метра скважины, размеры зоны воздействия скважины оценивались через минимально возможный (эквивалентный) радиус зоны добычи. Физический смысл этого параметра заключается в том, что он численно равен радиусу полости при условии полного извлечения рудной массы непосредственно с участков скважины, на которых находился добычной снаряд в моменты добычи.

Результаты выполненной оценки /4 0/ представлены на геологическом разрезе (рис.1.1) для оценки корреляции местоположения огибающей эквивалентных радиусов с геологическим строением массива. Участки скважин с максимальными значениями эквивалентных радиусов приурочены к участкам рыхлых руд. Отклонения в конфигурации реального выработанного пространства от поверхности, ограниченн�