Подземные плотины – новые возможности решения проблем горного производства и подземного выщелачивания
- DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-2-144-83-85
- УДК: 622.514
Ю.Г. Желябовский, канд. техн. наук, зам. генерального директора ООО «Алмазинтех – консультации и инжиниринг»
Одной из актуальнейших, но одновременно труд- норазрешимых задач горного производства явля- ется создание гидроизоляционных завес внутри горного массива. Предназначением таких сооружений мо- жет быть как защита горных выработок от проникновения в них воды из водонасыщенного горного массива, так и на- оборот – защита горного массива от агрессивных жидкостей, используемых в технологии подземного выщелачивания. К известным способам водозащиты относятся сооруже- ние противофильтрационного ограждения (завесы) и бар- ражной водонепроницаемой завесы [1].
Для создания противофильтрационной завесы (ПФЗ) во- круг защищаемого объекта бурится замкнутая цепочка сква- жин с определенным шагом. В скважины под давлением подается песчано-цементный раствор, который через отвер- стия в обсадных колоннах поступает в водоносные породы и закрепляет их, образовывая цилиндрические зоны, непроницаемые для воды. Закрепленные зоны должны замыкаться на такие же от смежных скважин, образуя при этом вокруг объекта сплошную водонепроницаемую завесу.
На практике, особенно для больших объектов, достичь этого сложно, а зачастую – невозможно. По причине искривления вертикальных скважин при бурении, а также из-за анизотропии проницаемости пород водоносного комплекса в завесе остаются незатампонированные «окна», через которые вода будет поступать в горные выработки, осложняя технологический процесс.
ПФЗ неплохо зарекомендовала себя при проходке стволов в обводненных породах, однако попытка создания протяженной ПФЗ вокруг карьера «Мир» АК АЛРОСА не привела к ожидаемому положительному эффекту.
Надежную защиту способно обеспечить сооружение барражной водонепроницаемой завесы. Такая завеса сооружается проходкой вертикальной щели шириной 0,3–0,5 м специальными самоходными устройствами – барражными машинами и бурением сплошного ряда скважин.
Образованную щель заполняют глиной или цементным раствором. Недостатком является то, что применять ее можно для неглубоко залегающих (до 30–40 м) водоносных пород. Теоретически аналогичную завесу можно соорудить из подземной горной выработки. Для этого проходится линейная горная выработка прямоугольного сечения. На подошву заливается слой цементного раствора определенной толщины. После его затвердевания из потолочины отбивается такой же слой породы, который отгружается и вывозится. На подошву снова заливается слой цементного раствора и т.д., пока не сформируется завеса необходимой высоты.
Практическая реализация сопряжена с технологической сложностью и повышенной опасностью производства таких работ, что делает данное мероприятие малореалистичным. В устойчивых, нетрещиноватых породах, где не требуется крепление выработки, соорудить такую плотину довольно легко. Однако надобность в ней отпадает априори, так как такой естественный массив сам является хорошим водоупором. В условиях же слабых, трещиноватых пород требуется совмещать две, противоречащие друг другу, технологические операции:
А. Крепление горной выработки для обеспечения безопасности;
Б. Отбойку породы выше крепи, чего нельзя сделать, не убрав крепь.
Данное противоречие может быть снято, если создать доступный для отбойки свободный забой и безопасную рабочую зону, находясь в которой, можно осуществлять все необходимые технологические операции.
Рис. 1 Сечение поперёк сооружаемой завесы: 1 - лента отбиваемой породы; 2 – соответствующий этой ленте слой завесы; 3 – мембрана
Для этого предлагается использовать горную выработку с поперечным сечением треугольной формы (рис. 1). Такая выработка имеет наклонную потолочину, которую в пределах производственного цикла можно считать условно-стационарной, и субвертикальную боковую стенку, за счет отбойки которой осуществляется освобождение пространства для укладки очередного слоя завесы.
Наклонная потолочина может быть закреплена одним из известных способов, что обеспечивает безопасное нахождение людей и техники в выработке. Органично вписывается в представленную схему простейшая передвижная крепь [2], которая обеспечивает безопасное нахождение людей и техники в выработке и способна технологично перемещаться вслед за продвижением забоя.
Технологический цикл начинается с отбойки ленты породы из стенки выработки (поз. 1, рис. 1). Отбойка может осуществляться как механическим способом, так и буровзрывным, с управляемым направлением действия взрыва, обеспечивающим щадящее воздействие на крепь и другие предметы оснастки. Отбитая порода отгружается и транспортируется к месту утилизации, а на подошву заливается цементный раствор или укладывается другой гидроизоляционный материал слоем определенной толщины (поз. 2, рис. 1). Геометрическая связь между мощностью отбитой ленты и толщиной слоя завесы определяется формулой:
где
a – толщина единичного конструкционного слоя завесы;
b – горизонтальная мощность отбиваемого слоя породы из стенки выработки;
α – угол наклона потолочины;
β – угол наклона боковой стенки выработки.
Таким образом, повторением циклов «отбойка ленты породы из боковой стенки выработки – укладка слоя гидроизоляционного материала на подошву» формируется подземная водонепроницаемая завеса (ПВЗ), которую можно назвать подземной плотиной. При необходимости довольно легко в тело завесы может быть вмонтирована мембрана, состыкованная из отдельных частей водонепроницаемого материала, такого как пластик, резина и пр., с герметичным соединением стыков, выполненных способом, приемлемым для данного типа материала.
ПВЗ такого типа может быть востребована на различных обводненных месторождениях. Например, она имеет все теоретические предпосылки, чтобы устранить проблему защиты рудника «Мир» АК «АЛРОСА» от рассолов МетегероИчерского водоносного комплекса (МИВК). Присутствие в рассолах естественных загрязнителей (соли, газы и т.п.), затрудняет их отведение в речную сеть в промышленных масштабах, что является ведущим фактором, лимитирующим эффективность защиты горных работ от пластовых вод за счет дренажа. Применяемая технология закачки рассолов под землю, на удалении порядка 10 км от рудника, приводит снова к их возврату с некоторой задержкой по времени. Таким образом, формируется круговорот рассолов, требующий бесконечных затрат. Только ПВЗ способно это прекратить.
Так как в настоящее время рудник затоплен, то доступ в район сооружения ПВЗ может быть обеспечен через наклонный ствол, который проходится с дневной поверхности. Через этот же ствол организуется откачка из карьера воды от атмосферных осадков.
Технология и организация строительства ПВЗ отвечает двум очень важным условиям, благодаря которым уже на стадии строительства обеспечивается вполне действенная защита подземных выработок от проникновения воды:
1. «Строительной площадкой» для ПВЗ служит кольцевая выработка, которая одновременно выполнят функции перехватывающей дренажной галереи;
2. По мере возведения ПВЗ и увеличения ее высоты происходит перемещение вверх кольцевой выработки с сохранением функционала дренажной галереи. При этом скорость поступления и объем дренажных вод будет являться прямым индикатором остаточного проскока воды в карьер, предоставляя объективную информацию для принятия управленческих решений, в том числе для определения окончательной готовности ПВЗ.
Строительство ПВЗ абсолютно независимо от горных работ основного рудника. Поэтому оба участка могут работать параллельно. Горные работы сначала производятся под защитой функционирования дренажной системы, постепенно переключаясь под защиту ПВЗ. Такая возможность организации производственного процесса позволит ускорить начало добычи руды.
Нижняя граница ПВЗ соответствует отметкам контакта МИВК с водоупорным массивом, в плане – это кривая линия, отстоящая от борта карьера на конкретном расстоянии, которое определяется как оптимум между величиной затрат и обеспечением долговременной сохранности ПВЗ по критериям законов геомеханики с учетом гидростатики.
Из наклонного ствола проходится подходная выработка в виде спирального транспортного съезда до пересечения с трассой самого нижнего кольца ПВЗ.
По нижней границе ПВЗ проходят кольцевую выработку треугольного сечения с размерами, обеспечивающими нормальную работу оборудования.
При проходке верхняя поверхность водоупорного массива используется в качестве проводника. Для более качественного примыкания ПВЗ к водоупору пионерная кольцевая выработка врезается в водоупорный массив. Мощность врезки порядка 1 м способна решить поставленную задачу.
Рис. 2 Схематичный вертикальный разрез карьера «Мир»
Наклонная потолочина крепится. Тип крепи определяется физико-механическими характеристиками пород. Наиболее надежной и технологичной крепью в этих условиях является передвижная металлическая крепь из балок соответствующего профиля, выбранного из стандартного сортамента. Устройство и пользование такой крепью наиболее подробно изложено в работе [2]. Геометрия поперечного сечения выработки и конструкция крепи позволяют довольно легко применить водонепроницаемый полог для защиты от капежа, тем самым создать более комфортные условия работы. На рис. 2 представлен вертикальный разрез карьера трубки «Мир» с замкнутой вокруг него ПВЗ, которая имеет форму боковой поверхности усеченного конуса. Количественные показатели такой завесы приведены в табл. 1, исходя из еетолщины 5 м и местоположения на расстоянии 30 м от борта карьера. Объем завесы сопоставим с годовым объемом добываемой руды подземным способом, которая при действующей системе разработки замещается таким же объемом твердеющей закладки. Это сравнение опосредованно указывает на экономическую целесообразность строительства ПВЗ, которая будет защищать подземные горные работы в течение как минимум 20 лет.
ров, используемых в процессе подземного выщелачивания. Это, в свою очередь, открывает новые возможности для развития прогрессивных технологий извлечения металлов непосредственно из месторождения.
ПВЗ для подземного выщелачивания предполагается сооружать в виде замкнутых емкостей, способных вместить в себя небольшое месторождение или часть более крупного объекта. Технология позволяет формировать только наклонные фрагменты ПВЗ. Емкости создаются методом комбинации таких фрагментов. Общая форма емкости зависит от геометрических параметров рудного тела с оптимизацией по экономическим критериям. Возможные конфигурации подземных емкостей для нужд выщелачивания приведены на рис. 3.
Рис. 3 Вертикальные разрезы подземных ёмкостей различной конфигурации
Вышеизложенное техническое предложение пока не имеет практической реализации, но есть все предпосылки для этого. С одной стороны, технологические операции по сооружению ПВЗ абсолютно ординарны для подземных горных работ, с другой стороны – ужесточение экологических требований понуждает к поиску «чистых технологий».
Резюмирующим же критерием будет экономическая целесообразность.
