Гидродинамические исследования эффективности замораживания интервала подмерзлотного водоносного комплекса при проходке клетевого ствола рудника «Мир»

Лобанов В.В.; Мищенко Ю.В.; Целлер Е.В.; Сороченко М.К.; Филатов А.П.

А.П. Филатов, 2005

УДК 532.5

В.В. Лобанов, Ю.В. Мищенко, Е.В. Целлер,

М.К. Сороченко, А.П. Филатов

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ИНТЕРВАЛА ПОДМЕРЗЛОТНОГО ВОДОНОСНОГО КОМПЛЕКСА ПРИ ПРОХОДКЕ КЛЕТЕВОГО СТВОЛА РУДНИКА «МИР»

Семинар № 13

Согласно рабочему проекту на проходку стволов КС и СС рудника «Мир» спец-способом [1], выпущенным в 2000 году «Шах-тспецстройпроект», предусматривается замораживание пород в пределах метегеро-ичерского водоносного комплекса. При определении режима и параметров замораживающего комплекса исходили из опыта выполнения аналогичных работ на руднике «Интернациональный», на котором при температуре хладоносителя около -30 °С породы водоносного комплекса были в течение примерно 2 лет проморожены до -15^ -17 °С, сформирован ле-догрунтовый цилиндр вокруг ствола, что дало возможность обеспечить его проходку в «сухих» условиях.

Принятый в РП режим замораживания предусматривает применение чиллерных холодильных агрегатов. Период активного замораживания, при котором не осуществляется проходка ствола а лишь искусственное охлаждение горного массива и формирование льдопородных цилиндров вплоть до их смыкания состоит из двух этапов: в течение 55 суток при температуре рабочей жидкости -30 0С и в течении 156 суток при температуре рабочей жидкости -40 0С. После оценки состояния замораживаемого массива и под защитой системы замораживания, работающей в пассивном режиме, сохраняющим созданное льдопородное ограждение, начинают проходческие работы.

Жесткие сроки проходки стволов тесно увязаны с планами начала добычных работ на руднике. Предполагалось, что система замораживания будет введена в эксплуатацию в начале 2003 года. Однако возникшие трудности, связанные с рядом технологических проблем

функционирования замораживающей станции, поставили под угрозу срыва запланированные сроки пуска рудника в эксплуатацию. Это предопределило принятие решения о ведении проходческих работ на стволе до завершения активного периода замораживания массива, как в интервале многолетнемерзлых пород, так и в напорном подмерзлотном метегеро-ичерс-ком водоносном комплексе, опираясь на специальный комплекс исследований по оценке достигнутого состояния замораживаемого массива.

Проходка ствола в интервале многолетнемерзлых пород осуществлена без осложнений. Предварительно специальными расчетами, учитывающими горно-геологические условия участка заложения ствола, была определена мощность предохранительного целика над кровлей водоносного комплекса, до которого безопасность проходки ствола обеспечивалась.

В отличие от проектной идеологии, предполагавшей в качестве окончательного результата активного периода замораживания отсутствие водопритока в ствол, в качестве ограничения было принято требование к противо-фильтрационным завесам (к которым относятся и льдопородные завесы) по величине остаточного водопритока (не более 5-8 м3/час). Принципиальным фактором, определившим возможность и целесообразность такого подхода, явилась технология бурения замораживающих скважин. Проведенный анализ буровых работ показал, что их осуществляли с применением бентонитового раствора с давлениями, заведомо превышающими гидростатическое давление на участке проходки ствола. Это позволило рас-

считывать, опираясь на опыт подтвердившихся подобных оценок для неликвидированных геологоразведочных скважин на месторождении трубки «Интернациональная», на создание своего рода глинистых завес вокруг каждой замораживающей скважины, а учитывая незначительное расстояние между профилями их (2-2,5 м) в интервале водоносного комплекса, и достаточно устойчивой завесы вокруг ствола. Важным фактором в такой интерпретации техногенного изменения состояния водоносного комплекса является гомогенизация в фильтрационном плане его характеристик (ликвидация крупной трещиноватости), особенно, в основном коллекторе водоносного комплекса, что должно было привести к сокращению во-допритоков по сравнению с ненарушенным массивом. Не менее существенным обстоятельством с точки зрения влияния заполнения трещин глиной на эффективность замораживания массива является устранение роли трещин со льдом как изоляционных прослоев для проникновения холодной волны от замораживающих колонок в массив, что, очевидно, должно было повысить эффективность замораживания. Для оценки состояния промораживаемого массива в интервале водоносного комплекса рекомендовано проведение периодических гидроисследований в скважинах, забуриваемых с забоя ствола по его профилю.

В качестве начального шага гидроисследований с забоя клетевого ствола, остановленного на отм.+19,7 м (кровля предохранительного целика), забурена опережающая гидрогеологическая скважина, вскрывшая метегеро-

ичерский водоносный комплекс на полную мощность. Напор подземных вод над устьем скважины составил 3,0 атм. Для прогноза во-допритоков при вскрытии стволом обводненного интервала и оценки гидродинамических параметров в районе клетевого ствола был проведен выпуск подземных вод с наблюдениями за восстановлением уровня. По результатам выпуска максимальный прогнозируемый приток при вскрытии основного коллектора составил 49,9 м3/час, а для всего водоносного комплекса 61 м3/час.

Полученные цифры притока в ствол превышали нормативные величины притоков (8,0 м3/час), которые не требуют специальных методов проходки выработки. В то же время по имеющимся расчетам начальный водоприток в ствол должен был быть примерно 250-300

м3/час (средний коэффициент фильтрации на этом участке 0,2-0,3 м/сутки). Пониженная величина водопритока в ствол определяется фактором сооружения кольца замораживающих скважин, что за счет применения при бурении бентонитового раствора привело к созданию в массиве своего рода тампонажной завесы. Величина ее усредненной толщины, отвечающей определенному в процессе выпуска прогнозному водопритоку, составила примерно 3,0 м при коэффициенте фильтрации 0,004 м/сутки.

Полученные по первому выпуску величины водопритоков интенсифицировали усилия по выведению замораживающей станции на проектный режим работы. Через 2 недели после первого испытания, в течение которых монтировали тюбинговую крепь в вышележащем интервале ствола, был проведен повторный выпуск подземных вод с наблюдениями за восстановлением уровня. Напор подземных вод над устьем скважины составил 2,54 атм.

По результатам повторного выпуска прогнозируемый приток составил 40,7 м3/час при вскрытии основного коллектора и 50,0 м3/час для всего водоносного комплекса. Полученные величины водопритоков несколько меньше, чем при предыдущем выпуске, что свидетельствует об эффективности начала работы замораживающей системы, пусть и не в проектном режиме.

Отметим, что полученные оценки характеризуют «мгновенный» приток, то есть приток в первые минуты после вскрытия зоны обводнения у подошвы коллекторов и (это важно!) в предположении, что до этого момента не было разгрузки рассолов в сооружаемый ствол, сопровождающейся снятием давления. По результатам повторного фильтрационного опробования коэффициент фильтрации пристволо-вой завесы оценен величиной 0,002 м/сутки.

Для оценки условий проходки ствола до наиболее водообильного коллектора водоносного комплекса по результатам выпусков воды из скважины клетевого ствола и с учетом наличия завесы вокруг ствола С-ПбО ИГЭ РАН произведено моделирование водопритоков.

Использована объемная гидродинамическая модель месторождения, созданная ранее для контроля и оценки эффективности сооружаемой противофильтрационной завесы на карьере «Мир». Результаты моделирования представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

С ПФЗ (Кх = 0.003 м/сут, по контуру модели - граница 1-го рода)

Абс. отметка забоя ствола, м +10 -10 -30 -40 -50 -63 -68 -75 -83

Приток к стволу, м3/сут 32 74 127 157 191 212 232 261 305

Таблица 2

С ПФЗ (Кх = 0.003 м/сут, по контуру модели - непроницаемая граница)

Абс. отметка забоя ствола, м +10 -10 -30 -40 -50 -63 -68 -75 -83

Приток к стволу, м3/сут 31 64 99 117 133 141 151 167 198

Проведенные выпуски, моделирование во-допритоков и анализ имеющихся материалов показали реальную возможность вскрытия водоносного комплекса по фактору водопритока и проходки ствола до кровли основного коллектора. Сложным вопросом при этом оставалось наличие в подземных рассолах сероводорода, одного из основных негативных факторов, осложняющих процесс проходки. Опробование рассолов из опытной скважины позволило рассчитать интенсивность выделения сероводорода при самой неблагоприятной величине прогнозного водопритока. Для полученной величины притока сероводорода с рассолами расход подачи свежего воздуха составил не более 20 м3/сек. Это не превысило возможности имеющейся системы проветривания с диапазоном производительности от 12 до 42 м3/сек. На основании проведенных исследований было рекомендовано приступить к вскрытию водоносного комплекса с учетом явно проявившейся тенденции повышения эффективности работы замораживающей системы.

Вскрытие стволом водоносного комплекса подтвердило обоснованность полученных оценок для коллекторов водоносного комплекса, расположенных выше основного коллектора, при проходке которых существенного обводнения забоя ствола не зафиксировано.

Для проведения исследований по оценке гидрогеологической ситуации в интервале основного коллектора и в ниже залегающих коллекторах, были пробурены с разрешенной глубины забоя ствола две скважины. Скважина КГ-2 вскрыла основной коллектор и все залегающие ниже коллектора, скважина КГ-3 вскрыла подошву основного коллектора. Устья скважин установлены в бетонной подушке (она была сооружена в предположении, что вскрыты будут достаточно большие напоры - более

10 атм, и притоки, которые придется подавлять с помощью опережающего тампонажа) мощностью до 2 метров и оборудованы для установки манометров и проведения выпусков.

Гидроисследования проведены в два этапа по мере готовности указанных скважин: сначала по скважине КГ-2 в качестве одиночного испытания, затем проведен кустовой опыт. В связи с низкими фиксируемыми притоками в стволы скважин в качестве гидродинамического возмущения рассматривались восстановления уровня в скважинах после выемки буровых снарядов.

В предположении, что приток в скважину КГ-2 определяется связью с водоносным комплексом за пределами кольца замораживания, где напор по результатам предыдущих опытов при глубине ствола 326 метров составлял 2,54 атм, пересчитан приток в клетевой ствол при его проходке на подошве основного коллектора, составивший 1,1 м3/час. Важным обстоятельством явилось то, что в течение последующих суток напор на устье заглушенной скважины не превысил 0,2 атм.

Ход опытных работ второго этапа представлен на графике (рисунок).

На начало наблюдений шло восстановление уровня в скважине КГ-2, затем был вынут снаряд из скважины КГ-3, что сформировало кустовое возмущение, отраженное на правой части графика. Следует отметить явную реакцию скважины КГ-2 на выемку снаряда из соседней скважины расположенной примерно в 3,5 метрах. Рост уровня в ней остановился примерно на 15 минутах и только по истечении этого времени уровень в обеих скважинах начал повышаться почти параллельно. Согласно проведенным расчетам, прогнозируемая величина притока в ствол 2,4 м3/час, что, очевидно, следовало отнести к существенному повышению

эффективности работы замораживающей системы.

Как показали проведенные гидроисследования, принятое решение о проходке клетевого ствола не дожидаясь окончания периода актив-

Диаграмма поведения уровней в гидронаблюдательных скважинах клетевого ствола рудника "Мир" (22.11.2003

г.)

ного замораживания массива оказалось полностью оправданным, так как опиралось на достаточно достоверную интерпретацию сложившейся в интервале проходки ствола ситуации, которая определена технологией бурения замораживающих скважин, формированием при этом своего рода противофильтрационной завесы с ликвидацией по ее контуру крупной трещиноватости.

--------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пояснительная записка к проекту проходки специальным способом стволов КС и СС рудника «Мир» АК «АЛРОСА». ДГУП «Шахтспецстройпроект», Скумс И.Н., Лежнев А.В., Москва, 2002 г.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------

Лобанов Виктор Владимирович, Мищенко Юлия Вадимовна, Целлер Елена Витальевна, Сороченко Максим Константинович - институт «Якутнипроалмаз».

Филатов Александр Павлович - кандидат технических наук, АК «АЛРОСА».

---------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ

ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Гришко А.П., Шелоганов В.И. Стационарные машины и установки: Учебное пособие для вузов. — 328 с.: ил.

ISBN 5-7418-0221-4 (в пер.)

Даны основные сведения по устройству и проектированию подъемных, водоотливных, вентиляторных и компрессорных установок. Особое внимание уделено методам эксплуатационного расчета этих установок и оптимизации режимов их работы. Приведены технические данные основного и вспомогательного оборудования рассматриваемых стационарных установок, что позволяет использовать учебное пособие при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов и работ.

Для студентов горных вузов, обучающихся по специальности «Горные машины и оборудование».

УДК 622.022.5 (075.8)

УДК 622.083.9 Н.В. Дронов