Закономерности формообразовния подземной камеры при подземном растворении пластов каменной сол Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 16

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

М

© Н.Ю. Смайльс, 2001

УДК 622.831.322.234.422

Н.Ю. Смайльс ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМООБРАЗОВНИЯ ПОДЗЕМНОЙ КАМЕРЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ РАСТВОРЕНИИ ПЛАСТОВ КАМЕННОЙ СОЛИ

дима выработка сферической формы. В обоих случаях для получения подземных камер используются управляемые способы подземного растворения, к которым относятся: послойный способ, способ заглубленной водоподачи и способ конвективного смешания [1, 2, 3]. Технологической особенностью управляемых способов является нерастворитель, который используется для отработки отдельных слоев-ступеней и искусственного формообразования подземной выработки. В качестве не-растворителя используется воздух, а чаще, нефтепродукты, которые в силу своих физических свойств, удельный вес которых меньше рассолов, всегда находится на поверхности рассолов и тем самым препятствуют растворению вышележащего массива соли. Технология управляемых способов предусматривает поочередное растворение снизу вверх слоев-ступеней разной мощности под прикрытием нерастворителя. Таким образом, при помощи закачки и выпуска нерастворителя, при отработке ступеней разной высоты и диаметра, добиваются растворения камеры, необходимых форм и размеров, что и называется управляемым формообразованием подземной камеры. Учитывая полноту извлечения соли в пределах проектного контура, а также возможность управления процессами растворения и формообразования

етод подземного растворения через индивидуальные скважины используется в горной практике при разработке пластов каменной соли с целью добычи полезного ископаемого и с целью строительства подземных камер-хранилищ. Добыча полезного ископаемого, необходимого для нужд химической и пищевой промышленности, для медицинских и целлюлознобумажных предприятий и в качестве добавок сырья в тяжелой индустрии, связана с получением кондиционных рассолов для последующего выпаривания и наиболее полным извлечением соли в пределах проектного контура. Строительство подземных хранилищ, используемые для захоронения вредных отходов производства и для хранения углеводородного сырья, предусматривает получение устойчивой выработки с целью дальнейшей эксплуатации, при этом малонасыщенные рассолы, извлекаемые из скважины не используются. Несмотря на разные конечные цели, в результате растворения соли образуются подземные камеры. При добыче каменной соли стремятся к получению цилиндрической формы камеры с куполообразной потолочиной, которая формируется на конечном этапе отработки, а в строительстве хранилищ необхо-

подземной камеры, управляемые способы в настоящее время широко используются на практике.

Однако, при освоении метода подземного растворения некоторое время на практике использовались неуправляемые методы. Это методы прямотока и противотока, гидроврубовой метод, методы «блуждающей» пленки и воздушной подушки, которые либо совсем не использовали нерас-творитель, либо использовали, но в небольшом количестве, что приводило к стихийному формообразованию и экономически невыгодным формам выработки (рис. 1, 2) [1]. Так при методах прямотока и противотока образовывались выработки в виде конуса с вертикальным сечением перевернутого треугольника, приводимые к подработке больших площадей земной поверхности. Методы гидроврубовой, «блуждающей» пленки и воздушной подушки на основе созданного гидровруба показали развитие опережающей выработки в виде трубы около ствола скважины. Из-за перечисленных недостатков в настоящее время эти методы не применяются на практике. А первые полученные результаты формообразования подземных камер привели к установившемуся мнению, что при неуправляемых методах всегда образуются выработки с формами вертикального разреза в виде

Рис. 1. вертикальное сечение камеры Рис. 2. Растворение приствольной Рис. 3. Формирование слоя-

при неуправляемых методах: а - про- части камеры на основе гидровру-

тивотока, б - прямотока.

ба.

ступени при послойном способе растворения.

Рис. 4. Равномерное растворение стенок камеры при заглубленной водоподаче.

Рис. 5. Формирование верхней части камеры в способе конвективного смешания с заглубленной водопо-дачей.

Рис. 6. Вертикальное сечение тоннельной камеры, полученное при растворении через горизонтальную скважину отступными за-ходками.

Рис. 7. Вертикальное сечение скважины при бесполосном растворении через вертикальную скважину.

перевернутого треугольника, а на основе гидровруба идет опережающее растворение приствольной части камеры и других форм быть не может.

Исследования формообразования подземных камер были связаны с анализом технологических схем неуправляемых методов и управляемых способов. Результаты исследований показали, что соблюдение порядка установленных технологических

параметров (положение рабочих колонн, конструкция скважины, режим подачи растворителя, применение нерастворителя и т.п.) приводит к повторению или образованию закономерной формы подземной камеры. Любое же изменение технологических приемов, режимов (производительности скважины, высоты ступени, заглубление водопо-дачи и т.д.) связано с изменением формы выработки. Так, на-

пример, в прямоточном методе, в результате нагнетания воды в нижнюю часть соляной залежи, камера сначала размыва приобретала грушевидную форму (рис. 1б) [1] и только после увеличения поверхности растворения, как и в противоточном методе, образовывалась воронкообразная форма камеры (рис. 1а). В результате открытой части ствола скважины в неуправляемых методах растворитель поднима-

ется вверх и тем самым способствует растворению верней части камеры как при 2-х, так и 3-х трубной конструкции колонн.

Влияние технологических параметров на форму камеры в управляемых способах определялось в интервале ступени, ограниченной по высоте нераство-рителем. При этом отмечается, что увеличение высоты ступени в послойном способе (рис. 3) приводит к развитию конусообразной формы выработки и большим потерям в боках камеры. Увеличение производительности Q скважины позволяет увеличить высоту ступени и сократить потери вследствие образования выработки с вертикальным сечением, напоминающим перевернутую трапецию с большим верхним основанием.

Заглубленная водоподача позволила увеличить высоту ступени от 20 до 50 м. Когда водоподающая колонна опущена в объем выработки, а нераствори-тель находится на уровне высоты ступени, т.е. выше, отрабатываемая ступень принимает форму усеченного конуса с большим основанием у горизонта во-доподачи. Распределение скорости растворения соли на участке водоподачи характеризуется затуханием подаваемой и всплы-ваемой струи. Факел струи, поступающей в камеру частично проникает в область нижележащих тяжелых рассолов на глубину 7 м, а всплывающий поток имеет активный радиус действия до 10-15 м выше области водо-подачи. Снижение производительности до 30 м/час при отработке эксплуатационной ступени способствует развитию цилиндрической формы камеры (рис. 4) [4]. При этом действие всплывающей струи, по-видимому, ограничивается высотой ступени.

Способ конвективного сме-шания с регулируемым уровнем водоподачи и рассолозабора [3]

позволяет увеличить ступень отработки до 100 м. Для этого создается дополнительная вертикальная выработка высотой 10-15 % проектного диаметра, в кровле которой поддерживается нерастворитель. При растворении соли используется рассол низкой концентрации (250 г/л), получаемый при растворении вертикальной выработки, что способствует равномерному размыву стенок камеры и наиболее полному извлечению полезного ископаемого 95-96 % [5]. Увеличение высоты ступени позволяет проследить формирование верней части растворяемого слоя, когда действие всплывающего потока по высоте не ограничивается нерастворителем

(рис. 5). При этом наблюдается формирование завоженной части потолочины отрабатываемого

слоя в интервале от вертикальной выработки до конечного радиуса камеры на каждом этапе подъема водоподающей колонны.

Дальнейшие исследования за развитием форм подземных камер продолжены в направлении искусственного растворения ка-мер-храни-лищ. Для хранения углеводородного сырья в маломощных пластах каменной соли используются тоннельные камеры, образуемые через наклонно-горизонталь-ные скважины, отработка которых ведется отступными заходками без использования нерастворителя. Долгое время при проектировании считалось, что вертикальное сечение такой камеры является трапеция с большим верхним основанием [6]. Однако моделирование в условиях давления Р=0,35-

0,4 кгс/см3 и температуре воздуха Т=15-35 оС, когда исключалось влияние воздуха на формообразование камеры, через горизонтальную скважину отступными заходками была получена тоннельная камера, вертикаль-

ное сечение которой имело форму круга (рис. 6), и правильность ее формы характеризовалось чистотой или загрязнением соли.

Анализ технологических параметров, влияющих на формообразование подземной камеры показал, что не все возможные варианты использовались на практике и были исследованы. Такое положение дало основание на продолжение исследований в направлении стихийного формообразования без использования нерастворителя с применением ранее неиспользованных технологических приемов. Получение тоннельных камер с вертикальным сечением округлой формы без использования нераствори-теля также дает основание на поиск возможности получения подобных форм камер через вертикальную скважину без использования нерастворителя. Для этого в лабораторных условиях были найдены условия замковой части свода для вертикальной скважины. Затем для условий физического моделирования была определена минимальная -пороговая величина давления Р=0,3 МПа для температуры воздуха Т=12-17 оС, при которой возможна более долгая отработка монолитного блока каменной соли. И, последнее, проведен поиск технологических параметров, благоприятствующих растворению камеры без нераство-рителя [7]. Результаты исследований показали, что на модельной установке при заглубленной водоподачи, сближенном расположении рабочих трубок (колонн), изоляции открытой части скважины возможен размыв камеры без использования нерас-творителя. В данных условиях растворения камера приобретала сферическую форму с вертикальным сечением в виде круга (рис. 7). При этом формирование камеры осуществлялось при по-

мощи растворения куполообразной потолочины и всего вышележащего массива соли без разделения на слои-ступени, что и дало основание названию «бес-по-слойного» способа растворения.

Исследования, связанные с влиянием технологических параметров на формообразование подземной камеры, позволили найти новый вариант технологической схемы растворения, в результате которого получена за-

кономерность сферического формообразования подземной камеры через вертикальную скважину без использования нераство-рителя. Данная закономерность дает возможность разработки беспослойного способа растворения в промышленных условий, который может использоваться как в строительстве камер-хранилищ, так и для добычи полезного ископаемого. При этом сферическая форма камеры гарантирует повышенную устой-

чивость, а растворение всего массива соли в проектном контуре дает возможность получения кондиционного рассола уже при небольших размерах камеры. Исключение нерастворителя из процесса управления формой выработки, в качестве которого в основном используются нефтепродукты, принесет экономический эффект и экологическую безопасность промышленных регионов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бобко П.С. Подземное выщелачивание //Геология и гидрогеология соляных месторождений.-Л.: Недра, 1972 г., тр. ВНИИГ, вып.56.

2. Ладман Ю.Р., Корчагина Е.Н., Ручнова А.Г. Моделирование процесса выщелачивания с заглубленной водоподачей. //Разработка солей способом подземного выщелачивания.-Л.: ВНИИГ, 1975 г., вып.76.

3. Способ конвективного смешания с заглубленной водоподачей. А.с.1113521 СССР, вып.6, с.1-8.

4. Особенности формообразования и маркшейдерского контроля камер с заглубленной водоподачей. //Теория и практика подземного выщелачивания соляных месторождений. - Л: тр.ВНИИГ, 1984.

5. Патрунова Л.Н., Черняк Е.Г., Симонов В.А. Методика и программа расчета технологических парамет-

КО

ров способа ковективного смешания с регулируемым уровнем водоподачи и рассолозабора. //Вопросы технологии рассолодобычи через скважины с поверхности.-Л.: ВНИИГ, 1990 г.

6. Царенков Ю.В. Закономерность развития поперечного сечения тоннельной камеры, создаваемой в каменной соли. //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводоролного сырья.-М.: 1981, N 4, с. 8.

7. Айруни А.Т., Смайльс Н.Ю. Методические рекомендации по моделированию процесса создания камер растворением солей беспослойным способом.- тр. ИП-КОН АН СССР, 1985.

Смайльс Наталья Юрьевна - кандидат технических наук, научный сотрудник ИПКОН РАН.