Научная статья на тему 'О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод'

О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
87
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА / ПЛАСТОВАЯ ВОДА / ТАМПОНАЖ / ХИМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ / КЛАТРАТЫ / НЕФТЬ / ПРИРОДНЫЕ ГАЗЫ / MINE WORKINGS / FORMATION WATER / PLUGGING / CHEMICAL HARDENING / CLATHRATES / OIL / NATURAL GASES

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Федосеев Семен Михайлович, Ларионов Владимир Романович

Приведен краткий обзор традиционных способов изоляции горных выработок, пройденных в водоносных породных массивах от притока пластовых вод. Предложен принципиально новый, комбинированный подход снижения остаточного водопритока с наличием нефтебитумопроявлений и растворенных газов, основанный на использовании клатратных соединений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Федосеев Семен Михайлович, Ларионов Владимир Романович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A brief review of traditional methods of isolation of mine workings, passed in the aquifer rock masses from the influx of formation water is done. We propose a fundamentally new, combined approach to reduce the residual water inflow with presence of petroleum-bitumen impurities and dissolved gases, based on the use of clathrate compounds.

Текст научной работы на тему «О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод»

УДК 54: 622.26:556 [551.34]

О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод

С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов

Приведен краткий обзор традиционных способов изоляции горных выработок, пройденных в водоносных породных массивах от притока пластовых вод. Предложен принципиально новый, комбинированный подход снижения остаточного водопритока с наличием нефтебитумопроявлений и растворенных газов, основанный на использовании клатратных соединений.

Ключевые слова: горная выработка, пластовая вода, тампонаж, химическое упрочнение, клатраты, нефть, природные газы.

A brief review of traditional methods of isolation of mine workings, passed in the aquifer rock masses from the influx of formation water is done. We propose a fundamentally new, combined approach to reduce the residual water inflow with presence of petroleum-bitumen impurities and dissolved gases, based on the use of clathrate compounds.

Key words: mine workings, formation water, plugging, chemical hardening, clathrates, oil, natural gases.

При проходке горных выработок в водоносных и неустойчивых массивах применяют специальные способы их проведения, основанные на изменении физического состояния породного массива с целью его упрочнения и снижения водопроницаемости. К ним относятся тампонаж трещин приконтурного слоя вмещающих горных пород цементными растворами, химическое упрочнение и замораживание [1].

Из перечисленных способов самым простым, дешевым и экологически безопасным является способ цементации (тампонаж), но область его применения ограничена только породными массивами с большим раскрытием трещин. Из практики горного дела известно, что применение цементации неэффективно в тех случаях, когда размер трещин и пор в горных породах меньше 0,15-0,20 мм, так как в них не проникает цементный раствор, даже содержащий материал мелкого помола (30^50 микрон). Вязкость цементных растворов достигает 1^100 Па-с.

Тем не менее, по мере разработки различных добавок способ цементации постоянно совершенствуется, широко применяется в строительстве, горном деле, при возведении гидротехнических сооружений, плотин и т.д. Так, для улучшения реологических свойств, регулирования сроков схватывания, повышения седимен-тационной устойчивости и водонепроницаемости в цементный раствор вводят добавки и, таким образом, он переходит в разряд «цементационного раствора», который при затвердении

ФЕДОСЕЕВ Семен Михайлович - н.с. ИГДС СО РАН; ЛАРИОНОВ Владимир Романович - к.х.н., с.н.с. ИГДС СО РАН.

должен обладать необходимой прочностью, водонепроницаемостью, хорошей адгезией с горными породами, не взаимодействовать химически с цементируемыми породами и подземными водами. Основные технические требования, предъявляемые к цементационным растворам, приведены в работе [2].

К сожалению, в особо сложных горно-технических условиях проходки применение способа цементации не дает требуемых результатов или его использование становится затруднительным. К ним относятся: горные массивы с наличием тонкотрещиноватых пород (с раскрытием менее 0,1 мм), пористых песчаников, мелкозернистых водонасыщенных песков (плывуны), в которых из-за малых размеров трещин и пор, в том числе заполненных водой, цементные частицы проникают с трудом или не проникают вообще (ни под каким давлением). Этот способ неэффективен также при наличии глин и трещин, заполненных глинистым заполнителем, в которых во время нагнетания раствора образуются вязкие пробки, препятствующие дальнейшему движению цементационного раствора.

В таких случаях применяют более затратный и сложный в техническом исполнении химический способ упрочнения пород с использованием широкого спектра различных материалов. В частности используются химические растворы, не имеющие твердых частиц (истинные растворы), вязкость которых составляет порядка 10- Па-с, поэтому они проникают в поры и тонкие трещины так же легко, как и вода, вытесняют пластовую воду и заполняют их.

Например, нашел ограниченное применение предложенный в 1925 г. доктором Иостеном

(Германия) способ двурастворной силикатизации, основанный на цементирующей способности геля кремнекислоты, получаемого в результате обменной реакции между силикатом натрия (жидкое стекло) и солью (хлористый кальций) при их поочередном нагнетании в породный массив [3]. Недостатком такого способа является мгновенная реакция силиката натрия с хлористым кальцием с образованием плотного осадка, ввиду этого радиус проникновения растворов от скважин ограничен, особенно в мелкозернистых песках и пористых песчаниках. В дальнейшем с участием ряда авторов (Иостена, Лангера, Родио, Аскалонова, Лемар-Дюмонта, Ржаницына) разработан более совершенный способ однорастворной силикатизации, где в качестве коагулянта силиката натрия используются кислоты, кислые соли, алюминат натрия и другие реагенты, которые взаимодействуют медленно, и начало реакции поддается регулировке во времени после закачки смеси в скважины.

Необходимо отметить, что разработка однорастворной силикатизации явилась существенным прорывом в решении сложной, технически важной проблемы. В горном деле способ силикатизации самостоятельно используется редко. Как правило, он применяется в комбинации с цементацией. Однако известен случай успешного закрепления оттаявших грунтов, загрязненных отходами ГСМ, органическими соединениями и бытовыми стоками в 1996 г., при проведении шахты коллектора г. Якутска с применением силикатизации [4]. Применение в больших масштабах одно- и двухрастворной силикатизации в отдаленных регионах ограничено необходимостью завоза больших объемов реагентов.

В последнее время для упрочнения породных стенок горных выработок нашел распространение способ смолизации пород растворами кар-бамидных смол и полимерами фурфурольного типа, которые отверждаются кислыми отверди-телями [5]. Отвердители для указанных смол разделяются на две группы: менее активные вещества (щавелевая кислота, хлорное железо, персульфат аммония), позволяющие регулировать продолжительность процесса отвердения раствора, и весьма активные вещества, обеспечивающие, в зависимости от концентрации и состава наполнителей, как замедленное, так и быстрое отвердевание (от нескольких секунд до одних и более суток).

Широкое использование смол зачастую ограничивается специфическими крайне неблагоприятными горно-техническими и гидрологическими условиями породных массивов, вмещающих горные выработки. Так, при доставке

растворов смол (акриламида и гипана) в массив должен быть исключен контакт с минерализованной водой. На практике такую воду оттесняют пресной водой, при этом ее объем строго ограничивается для улучшения условий полимеризации раствора акриламида и коагуляции гипана. Необходимо отметить, что выполнение таких условий затруднено рядом факторов, ограничивающих использование этого способа. К ним относятся также их высокая стоимость, неблагоприятные санитарно-гигиенические условия при работе с ними, а также экологические проблемы, связанные с негативным воздействием на окружающую среду [6].

Более высокой надежностью, универсальностью и возможностью практического использования в любых сложных гидрогеологических условиях обладает способ предварительного замораживания водонасыщенных массивов. На практике этот способ довольно широко применялся при сооружении шахт, метрополитенов в СССР (Подмосковье, Ленинград, Баку) и за рубежом (ПНР, ЧССР, ФРГ и Голландия) [7].

Различают два вида замораживания: низкотемпературное и обычное.

Низкотемпературное замораживание применяют при проходке шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях, непрочных горных породах, содержащих термальные воды и естественные рассолы, когда требуются низкие температуры для их замораживания (температура хладоносителя до -45°С). Для его реализации требуются большие энергетические затраты на получение искусственного холода, в связи с чем этот способ относится к дорогостоящим.

Обычное замораживание горных пород используется при более благоприятных горногеологических условиях, например, в регионах криолитозоны, где породы имеют умеренно низкие температуры и не содержат естественные рассолы, а только замершие пресные воды (лед). В этом случае не требуется поддержание низких температур (ниже -25°С), что может быть обеспечено при одноступенчатой работе холодильных установок. Кроме этого преимуществом данного способа в условиях криолито-зоны является возможность использования естественного атмосферного холода в зимний период, а также запаса холода, аккумулированного в мерзлом массиве горных пород. К этому можно добавить также незначительные потери холода на коммуникационных линиях благодаря низким температурам атмосферного воздуха в зимний период.

Представляет научно-практический интерес принципиально новый подход к изоляции горных выработок криолитозоны от остаточного

водопритока с использованием молекулярных соединений, которые могут быть применены в комбинации с традиционной цементацией. На основе его были предложены способы изоляции горных выработок от вод с нефтебитумопрояв-лениями и содержащих растворенные газы метаново-азотно-сероводородного типа посредством синтеза твердых молекулярных соединений решетчатого типа (клатрат), синтезируемых прямо в поровом пространстве горных пород массива с использованием климатических и геокриологических особенностей региона, а также природных материалов [8, 9]. Термин «клат-рат» происходит от латинского слова «с1а1га1;ш» (клетка, замкнутый, окруженный со всех сторон) и подчеркивает природу таких соединений. Впервые в ИГДС СО РАН проведены исследования возможности применения в горном деле двух представителей обширного класса данных соединений - клатратов мочевины и водных клатратов газов (газовые гидраты), а именно для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод.

По всеобщей классификации веществ клатра-ты относятся одновременно к двум классам соединений (не химическим): молекулярным кристаллам и нестехиометрическим соединениям включения. Клатраты характеризуются общей формулой:

М т М2, (1)

где т - число молекул хозяина (М2), образующего решетчатый каркас, приходящихся на одну молекулу гостя (М1), внедренного в полости каркаса, и определяет состав клатрата. Химическая связь между молекулами хозяина и гостя отсутствует кроме молекулярных.

Благодаря кристаллическому строению клат-ратов впервые открывается возможность применения нового класса веществ - молекулярных кристаллов в горном деле, как для упрочнения породных стенок, так и изоляции горных выработок от остаточных водопритоков. Например, для изоляции горных выработок от притока нефтесодержащих подземных вод предложен оригинальный способ, включающий синтез клатратов мочевины в пластовых трещинах [8]. В этом случае используемая в качестве моле-кул-хозяина мочевина имеет решетчатый каркас канального типа и не обладает токсичностью, хорошо растворима в воде, не оказывает негативного воздействия на горные породы. Нормальные алканы (парафины), входящие в состав нефтесодержащих вод, начиная с С4Н10 и выше, внедряются в полости решетчатого каркаса мочевины и придают им стабильность, образуя твердые кристаллические соединения, определяемые следующим выражением:

СН2П+2 + т(ЫИ2)2СО = СН2*2-т(Ш2)2РО, (2)

где т - число молекул мочевины, приходящееся на одну молекулу алкана; п - натуральное число, равное числу атомов углерода в парафине >4.

Клатратные соединения мочевины с нормальными алканами представляют собой твердые кристаллические вещества, обладающие повышенной механической прочностью и адгезией, не агрессивны к горным породам, безопасны в обращении, стабильны в высокоминерализованной водной среде.

На основе анализа результатов лабораторных исследований, проведенных в ИГДС СО РАН и особенностей эксплуатации противофильтраци-онной глиноцементной завесы (ПФЗ) карьера «Мир» обоснована возможность устранения остаточного водопритока посредством синтеза в поровом пространстве массива горных пород газовых гидратов [9].

Этот способ рекомендуется к реализации на практике в комбинации с традиционной цементацией с использованием разработанного специалистами «Союзтампонажгеология» глиноцементного раствора, который обладает относительно высокой стабильностью, седиментаци-онной устойчивостью (малой водоотдачей), быстрым ростом пластичности во времени, и предназначен для тампонажа трещин с раскрытием более 0,1 мм. Практика эксплуатации ПФЗ карьера «Мир» показала, что из общего объема горного массива в контуре завесы этим глинисто-цементным раствором тампонируется примерно 1,3%, что составляет десятую часть пористости пород метегеро-ичерской свиты, которая, по данным геологоразведочных работ, составляет 12,9% [10].

Таким образом, для достижения проектного коэффициента фильтрации 0,0014 м/сут (Кпрон& «9-10"4 мкм2) через тело ПФЗ необходимо залечить микротрещины и поры с просветом 10"4^10"8 м, куда, к сожалению, не проникает цементационный раствор, но способны проникнуть природные газы, образующие газовые гидраты.

Низкие температуры горного массива алмазоносных месторождений РС (Я), высокие пластовые давления создают благоприятные условия для синтеза газовых гидратов, где в качестве молекул-гостей выступают гидратообразующие компоненты природных газов (метан и его гомологи до С4). Газы обладают проницаемостью на несколько порядков выше, чем цементационный раствор, и легко проникают в микротрещины и поры (вязкость газов составляет порядка 10-6 Пас). Газовые гидраты синтезиру-

ются непосредственно в поровом пространстве многолетнемерзлых пород при закачивании га-за-гидратообразователя в водонасыщенный массив, при этом учитываются и рационально используются естественные гидрогеологические условия разрабатываемого месторождения и природные материалы. Растворенные в водах метегеро-ичерского водоносного комплекса газы метано-азотно-сероводородного типа включаются в состав твердых кристаллов газовых гидратов, которые имеют состав, выражаемый формулой:

16(СЩ И£) 8(С2Н6, С Не, СН1о)136Н20. (3)

При этом 1 объем воды поглощает до 220 объемов газа в нормальных условиях.

При залечивании трещин и закупорке порово-го пространства водными клатратами происходит связывание крайне опасного газа-сероводо-рода, тем самым исключается попадание его в рудничную атмосферу.

Заключение

Таким образом можно отметить, что открытый в 1947-1948 гг. английским ученым Г.Пауэлл новый класс молекулярных соединений включения - клатраты, как стало известно в последнее время, играет большую роль в природе - при построении биологической материи, обмене веществ в живых организмах, распределении органических веществ между атмосферой и гидросферой, формировании залежей природного газа и нефти. Они нашли широкое применение в разных областях человеческой деятельности таких как: медицина, тонкая очистка, разделение и выделение веществ, проведение уникальных стереоспецифических синтезов, нефтегазовая промышленность и т.д. Кроме этого, они могут найти применение на горных предприятиях Севера, что подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных в ИГДС СО РАН.

Предметом дальнейших исследований в данном направлении станет подбор не дорогих по

стоимости и безопасных в обращении реагентов для синтеза более термодинамически устойчивых в условиях криолитозоны клатратных соединений.

Литература

1. Тампонаж обводненных горных пород: справ. пособие / Сост.: Э.Я. Кипко, Ю.А. Полозов, О.Ю. Луш-никова. - М.: Недра, 1989. - 318 с.

2. Хямяляйнен, В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок: монография / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - 400 с.

3. Логачев, Н.Т. Цементация горных пород в шахтном строительстве / Н.Т. Логачев, И.Н. Фролов, А.А. Шилин. - М.: Недра, 1995. - 250 с.

4. Зюзин, Ю.М. Химическое закрепление оттаявших грунтов, загрязненных отходами ГСМ, органическими соединениями и бытовыми стоками / Ю.М. Зюзин // Труды II научно-практической конференции по проблеме градосферы и риска техногенных и стихийных катастроф.- Якутск, 1998. - Т.2. - С. 88-91.

5. Заславский, Ю.З. Инъекционное укрепление горных пород / Ю.З. Заславский, Е.А. Лопухин, Е.Б. Дружко, И.В. Качан. - М.: Недра, 1984. - 176 с.

6. Юмадинов, А.Ю. Изоляция пластовых вод / А.Ю. Юмадинов. - М.: Недра, 1973.- 111 с.

7. Морозов, М.Н. Совершенствование искусственного замораживания при проходке шахтных стволов / М.Н. Морозов.- М.: Недра, 1973.- 96 с.

8. Патент РФ №2012775 МКИ Е21 В33/138. Способ изоляции горных выработок от притока подземных вод, содержащих нефть / В.Р. Ларионов, С.А. Апросимова, С.М. Федосеев; опубл. 15.05. - 1994. -Бюл. №9.

9. Федосеев, С.М. Способ уменьшения остаточного водопритока в горные выработки через глиноцементную противофильтрационную завесу (ПФЗ) / С.М. Федосеев, В.Р. Ларионов // Горн. информ.-ана-лит. бюл. - 2005. - № 11.

10. Отчет о результатах детального изучения основных гидрогеологических параметров вмещающих пород трубки «Мир» (1975-1976 гг.). - Мирный, БГРЭ, 1976.

Поступила в редакцию 12.05.2012

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.