Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОДОУДЕРЖАНИЯ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ САМОВОССТАНОВЛЕНИЯ РУДНИЧНЫХ ТРЕЩИН ПОСРЕДСТВОМ ХИМИЧЕСКОГО РАЗМЯГЧЕНИЯ КАРБОНАТИТА

I. Область техники

Настоящее изобретение относится к способу водоудержания, в частности, к способу водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита, который применим к технической области защиты водных ресурсов и предотвращения и сдерживания опасности рудничных вод при добыче угля.

II. Уровень техники

Подземная добыча угля может приводить к смещению и повреждению вышележащих пластов, и тем самым приводить к образованию рудничных трещин в вышележащих слоях; образовавшиеся в вышележащих пластах рудничные трещины создают каналы для локальной утечки водных ресурсов и становятся геологическими причинами загрязнения окружающей среде в районе добычи. С точки зрения общих характеристик распределения водопроводящей зоны трещиноватости, вызванной ведением горных работ, в вышележащих слоях в вертикальном разрезе в пределах «седловидной» зоны развития водопроводящей трещиноватой зоны расположены 3 зоны: зона трещиноватости от сжатия, зона трещиноватости от растяжения и центральная зона уплотнения. При этом трещины в зоне трещиноватости от сжатия и в центральной зоне уплотнения характеризуются меньшим диаметром и меньшей пропускной способностью при протекании, в то время как трещины в зоне трещиноватости от растяжения вблизи внутренней стороны границы разработки имеют развитое отверстие большего размера и более высокую пропускную способность при протекании; поэтому если водопроводящая зона трещиноватости, вызванной ведением горных работ, сообщается с водоносным слоем в пласте, то основными каналами утечки водного ресурса являются рудничные трещины с отверстиями большего размера в зоне трещиноватости от растяжения. Таким образом, ключом к реализации защиты водных ресурсов при добыче угля является разумное регулирование пропускной способности рудничных трещин в зоне трещиноватости от растяжения в водопроводящей зоне трещиноватости для уменьшения размера рудничных трещин и ускорения смыкания и самовосстановления рудничных трещин.

В породных пластах существуют породы с различной литологией и прочностью. Большая часть таких породных пластов образована из карбонатита, алюмосиликатных пород и различных глинистых минералов, и различие в составе различных минеральных компонентов обусловливает различие в прочности различных слоев. В соответствующих исследованиях показано, что минеральные компоненты в массиве горных пород часто имеют длительные и устойчивые взаимодействия вода-порода с подземными водами, и, следовательно, несущая способность структур массива горных пород ослаблена; кроме того, степень ослабления прочности в результате взаимодействия вода-порода будет различной в зависимости от значения рН подземной воды. Карбонатитовый минеральный компонент в массиве пород представляет собой вещество, которое может легко взаимодействовать с кислотными химическими веществами. Если бы можно было искусственно изменять кислотность подземных вод для ускорения размягчающего эффекта взаимодействия вода-порода в пластах горных пород, то возникал бы пластический поток в структурах разрабатываемого массива горных пород, и, таким образом, рудничные трещины в горном массиве могли бы постепенно смыкаться под уплотняющим действием напряжения в горных пластах. Это, несомненно, является эффективным подходом к снижению пропускной способности рудничных трещин и ускорению самовосстановления рудничных трещин. Таким образом, необходимо разработать особый дизайн способа водоудержания для облегчения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита на основе характеристик развития водопроводящей зоны трещиноватости, вызванной ведением горных работ, в вышележащих слоях.

III. Описание изобретения

Задача изобретения: для преодоления недостатков известного уровня техники в настоящем изобретении предложен способ водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита, в котором путем определения зоны распространения водопроводящей зоны трещиноватости, вызванной ведением горных работ в вышележащих слоях, сообщающихся с водоносным слоем в пласте, установлен способ искусственного введения химического умягчителя для стимулирования пластического потока целевого пласта породы с высоким содержанием карбонатита, и ускорения самовосстановления рудничных трещин, тем самым уменьшая потерю водных ресурсов из водоносного слоя, смягчая угрозу опасности подземных вод и обеспечивая экологически чистое, безопасное и эффективное производство в шахте.

Техническая схема: для достижения вышеупомянутой задачи предложен способ водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита в соответствии с настоящим изобретением, который включает: в соответствии с характеристиками развития водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащих пластах горных выработок в конкретных условиях добычи - получение информации о диапазоне распространения водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащих толщах, которая сообщается с водоносным слоем в пласте в зоне ведения горных работ, и одновременное получение информации о горном пласте с высоким содержанием карбонатитового минерала; в зоне добычи, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте - сооружение буровой скважины от поверхности земли до целевого пласта с высоким содержанием карбонатитового минерала, который находится в водопроводящей трещиноватой зоне и ниже водоносного слоя в пласте; благодаря распространению большого количества трещин в целевом пласте породы с высоким содержанием карбонатитового минерала - закачивание химического умягчителя в трещины в целевом слое породы через буровое отверстие и обеспечение возможности полного взаимодействия химического умягчителя с карбонатитовым минералом в целевых пластах горных пород для размягчения структуры массива горных пород карбонатита и постепенного смыкания трещин от растяжения в массиве горных пород под действием напряжения в разрабатываемом пласте, с целью уменьшения его водопроводящей способности и, таким образом, реализации искусственно ускоренного самовосстановления рудничных трещин и защиты подземного водоносного слоя.

Ниже описаны конкретные стадии:

а. оценка положения водоносного слоя в пласте в соответствии с геологическим столбом скважины над зоной добычи и одновременная оценка зоны добычи угля, где водоносный слой в пласте поврежден в результате ведения горных работ, в соответствии с высотой водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащих слоях; если водоносный слой находится в пределах диапазона высоты водопроводящей трещиноватой зоны, - определение того, что водопроводящая трещиноватая зона в соответствующей области сообщается с водоносным слоем, и требуется удержание воды; если в пределах диапазона высоты водопроводящей трещиноватой зоны отсутствует водоносный слой, то нет необходимости в восстановлении водоудержания;

b. проведение строительства в районе, где необходимо восстановление водоудержания: в зоне добычи, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем - отбор проб пластов породы в пределах диапазона соответствующей водопроводящей трещиноватой зоны и ниже водоносного слоя, испытание минеральных компонентов в пластах породы и определение целевого пласта породы с высоким содержанием карбонатитового минерала;

c. строительство скважины для закачки умягчителя вниз от поверхности земли, соответствующей области разработки, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте, причем тип скважины определяют в соответствии с условиями строительства на поверхности земли: если на земной поверхности, соответствующей области разработки, имеются условия строительства для организации бурового поля - выбор вертикальной буровой скважины на поверхности земли; в противном случае - сооружение горизонтальной буровой скважины на буровом поле, расположенном в соответствующем месте на поверхности земли за пределами района добычи;

d. закачивание химического умягчителя, который может легко взаимодействовать с карбонатитовым минералом, в скважину для закачки умягчителя и обеспечение возможности полного взаимодействия химического умягчителя с карбонатитовым минералом в целевом пласте породы для стимулирования пластического потока структур карбонатитового горного массива, так что карбонатитовый пласт породы подвергается двойному воздействию выдавливания, оказываемого горизонтальным напряжением в разрабатываемых пластах, и уплотнения, оказываемого вертикальным напряжением в разрабатываемых пластах, и трещины от сжатия и трещины от растяжения в целевом горном пласте постепенно смыкаются, эффективно уменьшая водопроводящую способность пластов горной породы в зоне трещиноватости от растяжения, искусственно способствуя самовосстановлению рудничных трещин и реализации защиты подземного водоносного слоя.

Ниже описан порядок установки для различных типов буровых скважин:

если скважина для закачки умягчителя представляет собой вертикальную скважину, сооруженную в поверхности земли, то горизонтальное положение скважины должно быть рядом с внешней стороной границы района добычи, на горизонтальном расстоянии от границы добычи, которое равно расстоянию между линией контура водопроводящей трещиноватой зоны, соответствующей положению целевого пласта горной породы, и границей добычи, а положение концевого отверстия должно быть в средней части целевого пласта горной породы с высоким содержанием карбонатитового минерала в вертикальном направлении; если размер зоны добычи, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте, превышает 200-300 метров в направлении простирания или в направлении падения, то вертикальные скважины располагают с интервалом 200-300 метров вдоль направления простирания или направления падения;

если на поверхности земли построена горизонтально-направленная буровая скважина, то траектория горизонтального участка буровой скважины должна быть вдоль положения целевого пласта породы с высоким содержанием карбонатитового минерала, в положении, отклоненном в поперечном направлении от линии контура водопроводящей трещиноватой зоны.

обсадная колонна для защиты вертикальной буровой скважины должна быть обеспечена в диапазоне от поверхности земли до уровня на 10 м ниже нижней границы водоносного слоя, и обсадную колонну изготавливают из кислотостойкого и высокопрочного полимерного материала, такого как ПВХ; обсадная колонна для защиты горизонтально-направленной скважины должна быть обеспечена в диапазоне от поверхности земли до водопроводящей трещиноватой зоны, и обсадная колонна должна быть изготовлена из кислотостойкого и высокопрочного полимерного материала, такого как ПВХ.

Высоту водопроводящей трещиноватой зоны определяют методом измерения в полевых условиях, т.е. методом определения потерь бурового раствора, или оценивают с помощью метода теоретического расчета, т.е. «метода прогнозирования высоты водопроводящей трещиноватой зоны на основе положение ключевого слоя».

Минеральные компоненты в пластах породы ниже водоносного слоя тестируют с помощью рентгеновского дифрактометра, а слой породы с самым высоким содержанием карбонатитового минерального компонента определяют как целевой слой породы с высоким содержанием карбонатитового минерала, в который закачивают химический умягчитель.

Химический умягчитель представляет собой кислотный химический раствор, содержащий соляную кислоту или серную кислоту, или плавиковую кислоту с массовой долей 15-20%.

Полезный эффект: в настоящем изобретении, основываясь на правиле разработки и характеристиках распределения водопроводящих трещин в вышележащих пластах горных выработок, всецело использованы реакции растворения и коррозии минералов с высоким содержанием карбонатита под действием кислотных химических веществ для эффективного ослабления прочности несущих структур целевых пластов горных пород для стимулирования пластического потока в пластах горных пород под уплотняющим действием напряжения в горных пластах, и принудительного смыкания рудничных трещин в пластах горных пород для искусственного ускорения самовосстановления рудничных трещин и, в конечном итоге, достижения цели снижения водопроводящей способности каналов трещин и защиты подземного водоносного слоя. Настоящее изобретение адаптировано для определения способа водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита в различных условиях добычи и может гарантировать защиту водных ресурсов и предотвращение и сдерживание опасности рудничных вод при добыче угля в зонах ведения горных работ. Способ, предложенный в настоящем изобретении, является надежным и весьма практичным.

Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:

(1) к водопроводящим трещинам в вышележащих слоях, которые сообщаются с водоносным слоем в пласте, адаптирован способ «уяснения главного противоречия», использованы искусственные меры для ускорения смыкания и самовосстановления трещин большего размера и с более высокой пропускной способностью в вышележащих слоях на границе ведения горных работ. Такой способ не только научен и надежен, характеризуется меньшей рабочей нагрузкой и не нарушает нормальную добычу угля на фронте забоя, но также может быть реализован в обычном процессе добычи угля или после закрытия фронта забоя.

(2) Полностью использованы химические реакции вода-порода в вышележащих пластах, и химический умягчитель искусственно закачивают для облегчения размягчения целевого пласта горной породы и смыкания. Такой метод следует объективным природным законам и также не оказывает серьезного влияния на подземную водную среду.

(3) Настоящее изобретение адаптировано для определения способа водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита в различных условиях добычи и может обеспечить гарантию защиты водных ресурсов и предотвращения и сдерживания опасности рудничных вод при добыче угля в зонах ведения горных работ с большим содержанием воды и хрупкой поверхностной экологической средой в Китае. Кроме того, предложенный способ является простым и весьма практичным.

IV. Описание графических материалов

На фиг. 1 представлен вид сверху расположения вертикальных буровых скважин на поверхности земли в способе водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита согласно настоящему изобретению;

На фиг. 2 представлен вид в разрезе А-А расположения вертикальных буровых скважин на поверхности земли в способе водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита согласно настоящему изобретению;

На фиг. 3 представлено схематическое изображение смыкания и самовосстановления рудничных трещин до/после размягчения целевого пласта породы с высоким содержанием карбонатита согласно настоящему изобретению;

На фиг. 4 представлен вид сверху расположения горизонтально-направленных буровых скважин на поверхности земли в способе водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита согласно настоящему изобретению;

На фиг. 5 представлен вид в разрезе В-В расположения горизонтально-направленных буровых скважин на поверхности земли в способе водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита согласно настоящему изобретению;

На фиг. 6 представлен вид сверху расположения буровых скважин для закачки химического умягчителя на поверхности земли на фронте забоя 12301 в угольной шахте в процессе реального применения способа, предложенного в настоящем изобретении.

На чертежах: 1 - водоносный слой; 2 - целевой пласт породы с высоким содержанием карбонатитового минерала; 3 - вертикальная буровая скважина; 4 - линия контура водопроводящей трещиноватой зоны; 5 - зона трещиноватости от сжатия; 6 - зона трещиноватости от растяжения; 7 - центральная зона уплотнения; 8 - горизонтально-направленная скважина; 9 - горизонтальное напряжение в разрабатываемых пластах; 10 - вертикальное напряжение в разрабатываемых пластах.

V. Варианты реализации изобретения

Далее настоящее изобретение дополнительно подробно описано со ссылкой на графические материалы и конкретные примеры. Следует понимать, что приведенные примеры представлены лишь для описания настоящего изобретения, и их не следует толковать как какое-либо ограничение объема настоящего изобретения. Различные эквивалентные модификации настоящего изобретения, которые могут быть сделаны специалистами в данной области техники после прочтения настоящего изобретения, считаются входящими в объем, определенный прилагаемой формулой изобретения.

Как показано на фиг. 1-5, в способе водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством размягчения карбонатита согласно настоящему изобретению, в соответствии с характеристиками развития водопроводящей трещиноватой зоны в верхних слоях горных выработок при определенных условиях добычи, диапазон распространения водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащей толще, которая сообщается с водоносным слоем 1 в пласте, определяют в зоне ведения горных работ, причем края водопроводящей трещиноватой зоны определяют линией 4 контура водопроводящей трещиноватой зоны, и водопроводящая трещиноватая зона содержит зону 5 трещиноватости от сжатия и зону 6 трещиноватости от растяжения, а центральная зона 7 уплотнения находится в водопроводящей трещиноватой зоне, и центральная зона 7 уплотнения закрыта между зоной 5 трещиноватости от сжатия и зоной 6 трещиноватости от растяжения;

В области ведения горных работ, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем 1 в пласте 1, буровые скважины строят от поверхности земли до целевого пласта 2 с высоким содержанием карбонатитового минерала, который находится в водопроводящей трещиноватой зоне и ниже водоносного слоя 1 в пласте, закачивают умягчитель (например, кислотный химический агент) для полного взаимодействия с карбонатитовым минералом в целевом пласте породы, чтобы ускорить пластическое течение структур массива породы и вызывать постепенное смыкание трещин от растяжения в массиве горных пород под действием напряжения в пластах горных пород и тем самым уменьшить их водопроводящую способность, с целью искусственного ускорения самовосстановления рудничных трещин и реализации защиты подземного водоносного слоя.

В частности, предложенный способ включает следующие стадии:

a. оценивают зону добычи угля, где водоносный слой 1 в пласте поврежден в результате ведения горных работ, в соответствии с высотой водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащих слоях и колонне геологической скважины; если водоносный слой 1 существует в пределах диапазона высоты водопроводящей трещиноватой зоны, делают вывод о том, что водопроводящая трещиноватая зона в соответствующей области сообщается с водоносным слоем 1, и что необходимо организовать соответствующие буровые скважины для закачки химического умягчителя; если в пределах диапазона высоты водопроводящей трещиноватой зоны нет водоносного слоя 1, делают вывод о том, что буровая скважина не требуется.

Высоту водопроводящей трещиноватой зоны определяют методом измерения в полевых условиях, т.е. методом определения потерь бурового раствора, или ее можно оценить с помощью метода теоретического расчета, т.е. «метода прогнозирования высоты водопроводящей трещиноватой зоны на основе положение ключевого слоя».

b. берут пробы и тестируют минеральные компоненты в пластах горной породы в пределах диапазона соответствующей водопроводящей трещиноватой зоны и ниже водоносного слоя 1 в зоне добычи, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте, и определяют целевую горную породу 2 с высоким содержанием карбонатитового минерала.

Минеральные компоненты в пластах породы ниже водоносного слоя 1 тестируют с помощью рентгеновского дифрактометра, а слой породы с самым высоким содержанием карбонатитового минерального компонента определяют как целевой слой 2 породы с высоким содержанием карбонатитового минерала, в который закачивают химический умягчитель.

c. осуществляют строительство скважины для закачки химического умягчителя с поверхности земли, соответствующей области разработки, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте, причем тип скважины можно определить в соответствии с условиями строительства на поверхности земли: если на земной поверхности, соответствующей области разработки, имеются условия строительства для организации бурового поля - выбор вертикальной буровой скважины 3 на поверхности земли; в противном случае - сооружение горизонтально-направленной буровой скважины 8 на буровом поле, расположенном в соответствующем месте на поверхности земли за пределами района добычи. Ниже описан порядок установки для различных типов буровых скважин:

если на поверхности земли сооружена вертикальная буровая скважина 3, то горизонтальное положение скважины должно быть рядом с внешней стороной границы района добычи, на горизонтальном расстоянии от границы добычи, которое равно расстоянию между линией 4 контура водопроводящей трещиноватой зоны, соответствующей положению целевого пласта 2 горной породы с высоким содержанием карбонатитового минерала, и границей добычи, а положение концевого отверстия должно быть в средней части целевого пласта 2 горной породы с высоким содержанием карбонатитового минерала в вертикальном направлении; если размер зоны добычи, где водопроводящая трещиноватая зона сообщается с водоносным слоем в пласте, превышает 200-300 метров в направлении простирания или в направлении падения, то вертикальные скважины 43 располагают с интервалом 200-300 метров вдоль направления простирания или направления падения;

если на поверхности земли построена горизонтально-направленная буровая скважина 8, то траектория горизонтального участка буровой скважины должна быть вдоль положения целевого пласта 2 породы с высоким содержанием карбонатитового минерала, в положении, отклоненном в поперечном направлении от линии 4 контура водопроводящей трещиноватой зоны.

Обсадная колонна для защиты вертикальной буровой скважины 3 должна быть обеспечена в диапазоне от поверхности земли до уровня на 10 м ниже нижней границы водоносного слоя 1, и обсадная колонна должна быть изготовлена из кислотостойкого и высокопрочного полимерного материала, такого как ПВХ.

Обсадная колонна для защиты горизонтально-направленной скважины 8 должна быть обеспечена в диапазоне от поверхности земли до водопроводящей трещиноватой зоны, и обсадная колонна должна быть изготовлена из кислотостойкого и высокопрочного полимерного материала, такого как ПВХ.

d. закачивание химического умягчителя, который может легко взаимодействовать с карбонатитовым минералом, в скважину для закачки умягчителя и обеспечение возможности полного взаимодействия химического умягчителя с карбонатитовым минералом в целевом пласте породы для стимулирования пластического потока структур карбонатитового горного массива, так что карбонатитовый пласт породы подвергается двойному воздействию выдавливания, оказываемого горизонтальным напряжением 9 в разрабатываемых пластах, и уплотнения, оказываемого вертикальным напряжением 10 в разрабатываемых пластах, и трещины от сжатия и трещины от растяжения в целевом горном пласте постепенно смыкаются, эффективно уменьшая водопроводящую способность пластов горной породы в зоне трещиноватости от растяжения, искусственно способствуя самовосстановлению рудничных трещин и реализации защиты подземного водоносного слоя.

Массовая концентрация кислотного химического раствора составляет 15-20%.

В следующих таблицах 1 и 2 представлены результаты оценки колонн скважин и высоты водопроводящей трещиноватой зоны в различных зонах добычи на фронте забоя 12301 во время реального применения данного способа в угольной шахте. В таблицах показано, что высота водопроводящей трещиноватой зоны и условия сообщения со слоем водоносного слоя, очевидно, является различной в зонах двух скважин на фронте забоя 12301. Водопроводящая трещиноватая зона в вышележащих пластах в зоне скважины Т1 не сообщается с водоносным слоем в пласте, в то время как водопроводящие трещины в вышележащих слоях в зоне скважины Т2 развились до верхней границы коренной породы и непосредственно сообщаются с водоносным слоем в пласте. Таким образом, целевой пласт породы с высоким содержанием карбонатитового минерала в пределах диапазона водопроводящей трещиноватой зоны и ниже водоносного слоя в зоне скважины Т2 должен быть химически размягчен для ускорения пластического течения в массиве породы и смыкания и самовосстановления рудничных трещин.

Как показано на фиг. 6, поверхность земли на фронте забоя является относительно гладкой и плоской и подходит для размещения бурового поля для строительства вертикальных буровых скважин, таким образом, вертикальные буровые скважины строят на поверхности земли, соответствующей зоне скважины Т2. Путем отбора проб и тестирования минеральных компонентов в пластах горной породы в пределах водопроводящей трещиноватой зоны и ниже водоносного слоя в зоне скважины Т2 было обнаружено, что пласт породы №8 имеет высокое содержание карбонатитового минерала с наибольшим содержанием до 83%. Следовательно, положение концевого отверстия буровой скважины на поверхности земли находится в средней части пласта известняка в вертикальном направлении, а соответствующая вертикальная глубина составляет 139 м. Поскольку протяженность зоны добычи в направлении простирания в зоне скважины Т2 составляет 560 м, то буровые скважины располагают с горизонтальным интервалом 300 м. Согласно результатам соответствующих измерений и расчетов, расстояние между отклоняющейся в боковом направлении линией контура водопроводящей трещиноватой зоны в вышележащих пластах в зоне скважины Т2 и границей добычи в пласте известняка №8 составляет 35 м. Следовательно, горизонтальные положения буровых скважин обеспечены на основе этого расстояния..

В настоящем изобретении, основываясь на правиле разработки и характеристиках распределения водопроводящих трещин в вышележащих пластах, вызванных ведением горных работ, всецело использованы химические реакции (растворения и коррозии) минералов с высоким содержанием карбонатита под действием кислотных химических веществ для эффективного ослабления прочности несущих структур целевых пластов горных пород для стимулирования пластического потока в пластах горных пород под уплотняющим действием напряжения в горных пластах, и принудительного смыкания рудничных трещин в пластах горных пород для искусственного ускорения самовосстановления рудничных трещин и, в конечном итоге, реализации цели снижения водопроводящей способности каналов трещин и защиты подземного водоносного слоя. Настоящее изобретение адаптировано для определения способа водоудержания для ускорения самовосстановления рудничных трещин посредством химического размягчения карбонатита в различных условиях добычи и может гарантировать защиту водных ресурсов и предотвращение и сдерживание опасности рудничных вод при добыче угля в зонах ведения горных работ. Способ, предложенный в настоящем изобретении, является надежным и весьма практичным.