CC BY
34
ЗОТЕЕВ в.г; КОСТ ЕРОВ А Т. К ОСЛАМЕНКО В. В. ТАГИЛЬЦЕВ С.Н. Уральская государственная
горная академия
Опыт заполнения карьера в закарстованных породах
Характерной чертой Уральского региона является приуроченность большинства городов и поселков к разрабатываемым или отработанным месторождениям полезных ископаемых. Вследствие этого в их окрестностях типичными объектами ландшафта являются заброшенные карьеры, отвалы, зоны обрушения и хвостохранили-ща. Отсутствие свободных участков для размещения новых отвалов и хвостохрани-лищ, а также ужесточение требований к оздоровлению экологической обстановки и рекультивации нарушенных земель предпопределяют поиск возможностей для использования карьерных выемок в качестве емкостей для размещения отходов горного производства. В Уральском регионе в настоящее время уже накоплен достаточно большой опыт использования отработанных карьеров для складирования вскрышных пород с других участков (Гологорский карьер завода "Магнезит", ряд карьеров Бакальского рудоуправления и др.). Определенный опыт имеется и по созданию хвостохранилищ в отработанных карьерах. Так Высокогорским ГОКом были использованы под хвостохранилища выемки Каменского, Черемшанского и Ивановского карьеров, при этом глубина Каменского карьера составляла 98 м.
На протяжении последних восьми лет успешно заполняется хвостами обогатительной фабрики Лебяжинского рудника Северо-Лебяжинский известняковый карьер (СЛИК). В 1988 г. было принято решение и разработан проект по заполнению хвостами обогащения Главного карьера Высокогорского ГОКа, глубина которого превышала 270 м. В отличие от ранее заполненных выемок Главный карьер
имел не только большой объем выемки, но и крайне неблагоприятные гидрогеологические условия, определяющиеся наличием в прибортовом массиве, сложенном известняками, видимых карстовых полостей серии тектонических зон дробления, а также зоны обрушения в восточном борту карьера (рис.1 и 2). Прямая гидравлическая связь карьера с подземными горными выработками шахт "Магнетитовая" и "Дренажная" подтверждается и тем, что на протяжении последних 20 лет работы карьера в нем отсутствовал водоотлив, так как талые и дождевые воды по карстовым каналам дренировались в подземные выработки горизонта - 130 м. С целью экспериментальной оценки величин потерь воды из карьера было проведено два опытных заполнения его водой и отходами обогащения. В процессе их проведения было подтверждено наличие прямой гидравлической связи карьера с подземными горными выработками и быстрое увеличения потерь воды по мере подъема ее уровня [1,2]. Поскольку динамика спада уровня воды в карьере при первом и втором заполнении оказалась существенно различной [2] было высказано предположение о возможности снижения потерь воды из карьера за счет обжатия трещин бортового отпора шламами. Кроме того, для уменьшения потерь воды из карьера в процессе его заполнения было предложено создать в нем систему горизонтальных экранов из глинистого грунта. Из-за большой глубины водоема формирование экрана предполагалось осуществить в следующей последовательности:
• при достижении критического уровня потерь воды из карьера (900 м3/час) в поток пульпы, стекающей по борту, смывается или сталкивается бульдозером глинистый элювий с уступов северо-западного борта;
• движущийся поток пульпы с разжиженным элювием стекает в карьер, но из-за большой скорости движения воды в нем пылевато-глинистые фрации в осадок не выпадают;
• после смыва расчетного объема глинистого грунта в сливаемую пульпу добавляется коагулянт и работа фабрики останавливается на 48 часов;
• за время остановки глинистые хлопья опускаются на дно водоема и за счет ин-фильтрационного давления колъматиру-ют поры ранее намытых песчаных фрак-
ции, тем самым превращая нижележащую толщу в высоконапорный противо-фильтрационный экран.
Для исключения возможности аварийных прорывов воды в подземные выработки действующей шахты "Магнетитовая" было предложено законсервировать дренажную шахту, водоотлив сосредоточить на шахте "Магнетитовая", а квершлаги, соединяющие ее дренажной шахтной, на горизонтах - 130 м и -50 м перекрыть глухими перемычками, рассчитанными на давление в 25 атмосфер. Эти предложения были положены в основу нового проекта хво-стохранилища, разработанного АООТ "Уралрудпромпроект" в 1994 г. Опытное заполнение карьера началось в феврале 1995 г.
о25 1-£? 7-//
г- * 4- 6 - ▼ -/за в ---------------
Рис.1. Совмещенный план Главного карьера:
1 - точки массовых замеров трещиноватости; 2 - карстовые полости; 3 - точки отбора злювия; 4 - пункты замеров водопритокоа в дренажных выработках шахты 11 (гор. 130 м); 5 - зоны разрывных нарушений; 6 - абсолютные отметки горизонтов в карьере; 7 - зоны развития глинистого элювия; 8 - восточная граница зоны обрушения ЗРЗ.
т
$• - V 150
! . -да
50
Рис.2. Геологический разрез РЛ 26
1 - известняк; 2 - порфириты; 3 - элювий сиенитов;
4 - мартитовая зона; 5 - внутренний отвал; 6 - зона обрушения; 7 - рудное тело ЗРЗ; 8 - разрывные нарушения.
При подъеме уровня воды до отметки -22 м ее потери составили, около 400 м /час, т.е. в 2 раза меньше, чем при первом заполнении [2]; однако, при дальнейшем подъеме уровня воды до отметки -18 м они стали нарастать и достигли 700 м /час. К этому времени пульпа, стекающая по борту карьера, промыла в элювии траншею глубиной до 2 м, за счет чего в карьер было смыто около 1500-г 2000 м глинистого материала, то для его осаждения был осуществлен сброс в карьер сернокислого железа и слив пульпы остановлен на 3 суток. В результате этого мероприятия потери воды из карьера сократились до 400 м /час и оставались практически неизменными при подъеме уровня воды до отметки -10 м, после чего потери вновь стали быстро нарастать, так как крупные карстовые полости, выходящие на откос устпа между отметками -10 м и -4 м оказались ниже зеркала воды. Поскольку уровень шламов к этому моменту достиг только отметки -40 м, повторный смыв глинистого грунта и формирование нового экрана были лишены смысла. Так как к этому времени было завершено строительство глухих перемычек в квершлагах на отметках -130 м и -50 м, соединяющих выработки шахты № 11 и шахты "Магнетитовой", то опасность прорыва пульпы в действующие подземные выработки полностью ликвидирована. Кроме того мощность водоотлива ш. ”Магнетитовой” также была увеличена до 3000 м /час, т.е. увеличение фильтрации воды
-у
из карьера до 2000 м /час стали допустимыми.
Вследствие вышесказанного было принято решение продолжать подъем уровня воды в карьере до отметок +10 +■ +15 м, на которых должна быть вмонтирована промежуточная насосная станция для снабжения обогатительной фабрики оборотной водой.
К моменту подъема уровня воды до отметки +10 м утечки из карьера достигли 1900 м3/час. В настоящее время после включения в работу насосной станции уровень воды карьера поднялся до отметки +12,5 м и поддерживается в этом состоянии. При установившемся равновесии возврат воды на фабрику из карьера составляет 800-850 м /час, потери 1800-1900 м3/час. По мере подъема уровня шламов (при поддержании на постоянной отметке зеркала воды) потери воды будут снижаться из-за закрытия трещин бортового отпора, но фильтрация через карстовые полости остается неизменной, поэтому для ликвидации потерь воды из карьера и перехода на замкнутый цикл водооборота фабрика-карьер-фабрика после заполнения карьера шламами до отметки ± 0 м будет намыт второй экран. Тогда потери воды из карьера могут быть снижены до 300-400 м /час и поддерживаться в этом интервале до достижения зеркалом воды отметки +85 м, т.е. до границы зоны сдвижения от Западной Ревдинской залежи на участке ее пересечения с восточным бортом карьера. Так как данные прогнозных расчетов и фактические величины потерь хорошо коррелировались между собой при подъеме уровня воды в интервале от -68 м до +12 м, нет оснований ожидать непредвиденных осложнений с эксплуатацией хво-стохранилищ в ближайшие 5-10 лет. Это тем более верно, что наличие насосной установки в карьере позволяет регулировать высоту слоя воды над шламами и тем самым снижать фильтрационный напор и потери до заданного уровня.
1. Зотеев В,Г., Зотеев О.В., Костерова Т.К., Тагильцев С.Н, Изучение гидрогеологических и геомеха-нических условий создания хвостохранилища в отработанном карьере / Экологические проблемы горного производства, переработки и размещение отходов. Вторая научн.-техн. конф.-М.: МГУ, 1995.-С. 486-489.
2. Зотеев В.Г., Зотеев О.В., Костерова Т.К., Тагильцев С.Н., Осламенко В.В. Гидрогеологические и инженерно-геологические условия формирования хвостохранилища в Главном карьере Высокогорского ГОКа // Известия вузов.- Горный журнал, 1995, №5. - С. 111-121.
© В.Г.Зотеев, Т.К.Костерова, В.В.Осламенко, С1Н. Тагильцев
Из истории университетов
Указы Петра Великого, относящиеся к образованию, определяют качества, необходимые для студента: "Ноэопришедшего ученика отведать память и
остроумие, а если покажется весьма туп, не принимать в Академию; а обаче возымеет о себе мнение, что он весьма мудрый, а от таковых нет горших бездельников". "Буде покажется детина непобедимой злобы, клеветник, до драки скорый - выслать из Академии, чтобы бешеному меча не давать".
Мудрые мысли отставного капитана Ерлыкова, поведанные им в письме императрице Екатерине И
О фиекддлх
Если по Вашему указанию Вам необходимо было бы получить правдивые сведения о состоянии нашего государства, надо послать на места тайных агентов, имеющих низкие звания, но беспристрастных. Они начали бы присылать секретную и правдивую информацию о состоянии дел в армии и настроениях в обществе. Они должны иметь беспрепятственный доступ во все места, добывать и фиксировать всю информацию с последующей отправкой для ознакомления Божественной. В этом случае все выплыло бы на поверхность и ничего не удалось бы скрыть, ибо все бы Вам стало известно.
Безграмотные полковники и ротные командиры разваливают армию устраивая бессмысленные занятия, издеваясь над солдатами и не выплачивая им в положенное время денежное и вещевое довольствие, а то и просто разворовывают все. Не в состоянии солдаты защитить сами себя, по причине невозможности доложить начальству, потому что их за это запорют насмерть палками и они вместо денег получат вечный покой.
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ*
МОСКВА, МП'У
29.01.96 -
2.Ш.96Г
. у-,
ГУРЬЯНОВ в. в. ИПКОН РАН
Организационно-методические аспекты отбора, разработки и освоения новых технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений
п
о инициативе Научного совета по государственной научно-технической программе "Недра России" Миннауки Российской Федерации проводит конкурс на разработку новых проектов в области освоения топливных ресурсов недр, в том числе, и по извлечению метана из высокогазоносных угольных месторождений.
Академией горных наук (АГН) России подготовлен и представлен на указанный конкурс научно-технический проект "Разработать и освоить технологии заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождении с применением специальных методов воздействия на горный массив” ("Углеметан").
Цель проекта - на основе объединения усилий ученых академического, вузовского и отраслевого секторов горной науки, специалистов (производственников и проектировщиков) геологоразведочной, угольной, нефтяной и газовой отраслей экономики создать и довести до промышленного освоения эффективные отечественные технологии заблаговременного извлечения (добычи) метана из высокогазоносных угольных месторождений или их участков, не подверженных влиянию горных работ. Применение этих технологий должно обеспечивать снятие "газового” барьера при подземной разработке газонасыщенных угольных пластов и вовлечение в хозяйственный оборот нетрадиционных ресурсов газового топлива, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду в угледобывающих регионах страны.
Поставленная в данном проекте задача имеет ряд специфических особенностей, важнейшими из которых являются:
• значительное разнообразие горно-геологических условий, присущих известным высокогазоносным угольным месторождениям России, разная степень их изученности;
• большие различия в строении и свойствах угольных пластов и вмещающих их толщ горных пород по разным угольным месторождениям;
• недостаточная исследованность свойств горных массивов и угольных пластов и их влияния на газоотдачу недр;
• большое количество технических решений и их разновидностей по интенсификации газоотдачи угольных пластов, имеющих различную степень проработанности и часто довольно узкую область применения;
• закрытость информации о технических особенностях и параметрах применяемых зарубежными фирмами технологий промысловой добычи метана угольных пластов;
• сложность и высокая стоимость работ по бурению скважин, опробыванию месторождений и испытанию возможных технологий извлечения метана.
Эти особенности и предопределили многоплановость содержания намеченных в проекте исследований и разработок и их комплексный характер.
Общеизвестно, что большинство высокогазоносных пластов в освоенных угольных бассейнах страны имеют (в отличие от основных месторождений США) весьма низкую природную газопроницаемость (в среднем от 0,1 до 0,001 миллидарси), что и явилось причиной поиска эффективных
способов ее искусственного повышения на основе применения специальных методов воздействия на пласт и (или) вмещающий его массив горных пород.
В настоящее время известно несколько десятков таких способов и их разновидностей. Кроме известных вариантов гидродинамического воздействия следует прежде всего назвать апробированные в нефтяной промышленности термические, вибровол-новьте (акустические) и электрические методы воздействия, а также пневмовоздействие, криогенные, физико-химические и микробиологические методы и ряд других методов.
Все эти методы базируются на использовании скважин, пробуриваемых с поверхности и обеспечивающих доступ к соответствующим коллекторам и зонам обработки. Наибольшее распространение получили вертикальные скважины. Анализ опыта нефттегазовой промышленности показывает перспективность использования скважин сложного профиля, их кустового расположения и ряда других схем. Кроме того, требуют совершенствования, применительно к специфике процессов извлечения метана из углегазовых месторождений, вопросы сооружения скважин и их обустройства.
Следует также отметить недостаточную изученность геомеханических процессов, происходящих в газонасыщенных углевмещающих толщах, возможности их использования для интенсификации газо-отдачи пластов при различных способах воздействия на горный массив.
Как указывалось, вышеозначенные методы имеют разную степень проработанности, многие из них не только не прошли апробацию в натурных условиях, но даже не исследованы на лабораторных и стендовых установках.
Также весьма слабо изучена возможная область применения имеющихся способов интенсификации газоотдачи угольных пластов.
Учитывая большое разнообразие горногеологических условий залегания высокогазоносных пластов в угольных бассей-
нах России и их свойств, а также острую потребность в разработке эффективных способов заблаговременной дегазации ряда угольных месторождений и в обеспечении некоторых регионов (например, Кузбасса, Приморья) местными ресурсами газового топлива, следует считать необходимым тщательное изучение и оценку всех возможных способов извлечения метана из неразгруженных пластов и опытную проверку наиболее перспективных из них.
Вышеизложенное позволяет предложить следующий порядок выявления и отбора перспективных направлений создания эффективных технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из газонасыщенных угольных месторождений на основе применения специальных методов воздействия на горный массив.
1. Выявление и предварительный отбор рациональных технических решений по интенсификации газоотдачи угольных пластов из числа возможных на основе анализа из проработаности, научно-техни-ческого уровня, области применения, сроков и стоимости разработки и т.д.
2. Проведение дополнительных теоретических, лабораторных и экспериментальных исследований с целью доработки и определения целесообразности применения отобранных технических решений и их соответствующих комбинаций.
3. Выбор прогрессивных технических решений из числа исследованных.
4. Сравнительные испытания прогрессивных технических решений в идентичных (сопоставимых) горно-геологических и производственно-технических условиях и отбор наиболее перспективных из них для последующей разработки конкретных технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана в соответствующих горно-геологических условиях.
Решение данной задачи должно осуществляться поэтапно на основе рассмотрения специальных материалов и результатов НИР, представляемых в Академию горных наук авторами соответствующих технических решений, для чего при Президиуме АГН в настоящее время формирует-
ся Проблемный научный совет по вопросам заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений. В состав Совета включаются видные ученые и специалисты всех секторов науки и важнейших отраслей горной промышленности. Одной из основных задач этого Совета будет осуществление научно-методического руководства работами по реализации указанного проекта АГН по заблаговременному извлечению (добыче) метана из угольных месторождений, оргализация и координация исследований и разработок.
На основе такого широкомасштабного отбора и предварительной оценки возможных технических решений по интенсификации извлечения метана из угольных месторождений должны быть выбраны перспективные способы техногенных воздействий на горный массив, на основе которых и будут разрабатываться технологии заблаговременного извлечения (добычи) метана для типовых горно-геологических условий.
Разработка этих технологий, определение их параметров и испытание должны проводится в натурных условиях. Это наиболее сложная и дорогостоящая часть работ, связанная с бурением и обустройством скважин, монтажом и эксплуатацией технологического и контрольного оборудования и т.п.
Учитывая необходимость проведения этих работ в типовых горногеологических и производственно-технических условиях, а также обязательную опытно-промышленную эксплуатацию с применением новых созданных технологий (т.е. их промышленное освоение), возникает вопрос определения оптимальной формы организации этих работ.
Нам представляется, что наиболее рациональным решением этого вопроса будет сооружение специального полигона для отработки, испытания и опытно-промышленного освоения новых технологий извлечения метана (одного или нескольких в зависимости от количества типов углегазовых месторождений, подлежащих разработке).
Учитывая большую важность, сложность и высокую стоимость создания такого полигона, разнообразие горногеологических условий залегания высокогазоносных угольных пластов и их расположение в различных регионах России, специфику производственно-технических условий функционирований будущего полигона (инфраструктура, удаленность от действующих шахт и потенциальных потребителей газа и т.п.), выбор месторасположения и определение параметров полигона следует осуществлять на основе технико-экономического сравнения возможных вариантов.
Для этого предварительно должны быть разработаны соответствующие геологические, технологические, производственно-технические, социально-экономические и экологические требования по проектированию и сооружению этих объектов.
Представляется, что указанные требования, в частности, должны содержать информацию о:
• минимальных запасах (ресурсах) метана в границах полигона и предельных горно-геологических характеристиках "углегазового" месторождения (минимальная и максимальная глубина залегания пластов, их мощность, минимальная величина их природной метаноносности и газопроницаемости и т.д.);
• минимальном расстоянии до ближайших горных выработок (с учетом возможного развития горных работ в период эксплуатации полигона);
• минимальном сроке службы полигона;
• требуемых характеристиках развития инфраструктуры (наличие дорог, ЛЭП, водоемов, газопроводов и т.д.);
• минимально допустимой производительности по добыче газа для будущих потребителей;
• социально-бытовых условиях для персонала полигона и ряд других характеристик и параметров.
После выбора месторасположения будущего полигона должен быть разработан
соответствующий проект на его сооружение и эксплуатацию.
По нашему мнению, наилучшими вариантами расположения опытных полигонов по отработке, испытанию и освоению новых технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений по совокупности вышеназванных требований и факторов могли бы быть Кузбасс, Восточный Донбасс и Воркута.
Промышленное освоение (использование созданных технологий добычи метана угольных пластов в других (отличных от полигона) географических, горно-геоло-
условиях следует осуществлять на основе специально разрабатываемых проежто*.
Изложенные подходы к отбору и организации разработки и освоения новых технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений приняты Минтопэнерго РФ, одним из заказчиков проекта "Углеметан", включившим его в состав межотраслевой научно-технической программы №3 "Реализация приоритетов развития технологической и технической базы ТЭК".
© В.В.Гурьянов
Забавные случаи из жизни ученым
После одной из лекций Фарадея премьер-министр Англии Гладстон спросил ученого:
- А какую практическую пользу принесут ваши открытия ?
- Это я еще не знаю, но могу вас заверить, что еще при своей жизни вы будете взимать с них налоги,-ответил Фарадей.
Действительно Гладстон дожил до широкого применения электричества в быту.
Мудрые мысли отставного капитана Ерлыкова, поведанные им в письме императрице Екатерине П
«... Благоволите Ваше Величество, разрушить яд бесполезных, и обществу вредных людей- французов. Из нашей резиденции, выслать бы их вон в дальнейшую губернию, и определить бы их, в купечество или мещанство. Чтоб оне не могли, рассеивать в нашем государстве, богомерзких своих замыслов. Которыя в душах своих напитаны коварством злым. Что б не могли быть негде учителями француз-скаго языка. Довольно и так пополоскалися в наших душах, и пожаловали нас в дураки. Коварным своим вымыслом, ввели раскош и всякия разныя богомерския прихоти, в наше Отечество. Великая река их учености, многих нас оным потопила, ...»
27 сентября 17 95 года (по старому стилю)
