Сооружение противофильтрационных завес с использованием современных материалов

Главный технолог, зам. ген. директора, к.т.н.                       Цыгельнюк Е.Ю. ООО  «НПК «Геотехнологии»

Главный горняк по открытым работам                                  Рыжков А.Н. ОАО «Апатит»

Начальник Восточного рудника                                                 Кравцов А.В.  ОАО «Апатит» 
 

 Сооружение противофильтрационных завес

с использованием современных  материалов 

    Большинство месторождений полезных ископаемых нашей страны характеризуется высокой  обводненностью разрабатываемых горных массивов.   Освоение высокообводненных месторождений связано с комплексом работ по их осушению, причем капитальные затраты на осушение достигают 20%, а эксплуатационные затраты на осушение достигают 15% от общей себестоимости сырья.

     Сложные гидрогеологические условия месторождений характеризуются высокими фильтрационными свойствами горных пород и высоким гидростатическим напором трещинных вод. Немаловажным фактором, влияющим на обводненность горных выработок, являются и циклические динамические нагрузки, возникающие при ведении взрывных работ.

    Основными методами борьбы с обводненностью месторождений  являются: бурение водопонижающих скважин, бурение дренажных скважин, строительство  противофильтрационных завес гидроизолирующим материалом которых служат цементы и смолы.

      Строительство противофильтрационных  завес (ПФЗ), с использованием  в качестве гидроизолирующего  материала цемента с добавками  ускорителей схватывания, наиболее  распространено, по причине доступности  и невысокой стоимости материала.  Однако, несмотря на кажущуюся экономичность использования цементов для гидроизоляции, расход его для цементирования одной скважины завесы достигает десятков тонн при максимальном радиусе распространения смеси 3-4 м. Создание гидроизоляции массива с высокими фильтрационными свойствами пород и значительным гидростатическим напором по вышеуказанной методике, зачастую, неэффективно. Цементный камень имеет микропористую структуру даже в идеальных условиях его твердения, а в сложных гидродинамических условиях большая часть цементной смеси вымывается потоком трещинных вод, а затвердевшая масса  не выполнят функцию гидроизолирующего материала.

     Наиболее приемлемым материалом для  создания ПФЗ является нетвердеющая гидрофильная масса, заполняющая пустоты  и трещины массива, и способная многократно увеличиваться в объеме при соприкосновении с водой. Такими свойствами обладает тампонажная  смесь ЛП, разработанная специалистами Научно-производственной компании  «Геотехнологии». Попадая в обводненный трещиноватый массив, тампонажная смесь, увеличиваясь в объеме, кольматирует трещину принимая её форму. При увеличении трещин, вследствие динамических нагрузок на массив, и вновь создавшихся условиях для поступления фильтрата, тампонирующий состав дополнительно увеличивается в объеме. Для гидроизоляционных работ ЛП выпускается в виде концентрата, поэтому расход её на порядок меньше, чем расход цементных растворов. Тампонажные смеси ЛП экологически безопасны и относятся к 4-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76 (мало опасные вещества). Экономичность и эффективность применения смеси ЛП для гидроизоляции в сложных гидрогеологических условиях горных выработок несомненна. Апробация данной технологии произведена при создании скважин ПФЗ промежуточного зумпфа на Коашвинском карьере «Восточного рудника» ОАО «Апатит».

      Коашвинский карьер – расположен у склона горы Коашва в долине реки  Вуонннемйок. Характеризуется  сложными гидрогеологическими условиями отработки, связанными с распространением на площади месторождения мощных (до 70 м) разнородных по составу и происхождению рыхлых отложений и приуроченных к ним водоносных верхне-четвертичных осташковского и подпорожского водно-ледниковых горизонтов, а так же наличием трещинных и трещинно-жильных вод палеозойского комплекса кристаллических пород с  максимальными водопритоками по карьеру до 12 тыс.м³/час.(данные на сентябрь 2004г)

      Промежуточный зумпф расположен  на отметке +165 м в кристаллических  породах с сильно развитой  системой трещиноватости. Объем  фильтрата составляет около 1000 м³/час или 24000 м³/сутки. Гидростатический напор фильтрационного потока составляет 55 м. Скорость фильтрации не определялась. По данным «Отчета о дополнительной разведке и пересчету запасов Коашвинского месторождения», составленного в 1972 г, среднее значение коэффициента фильтрации трещинных вод составляло 0,24 м/сут, фактическое значение коэффициента фильтрации на момент проведения работ составило от 1,0 м/сут до 7,0 м/сут.

     НПК «Геотехнологии» проведены испытания  смеси для создания противофильтрационной  завесы промежуточного зумпфа. Основной целью испытательных работ являлось определение радиуса распространения смеси, однако, в процессе производства работ принято решение об усложнении задачи,  а именно - снижении интенсивности фильтрации в зоне гидроизоляционных работ.

       Водопроявления из борта карьера  в районе расположения промежуточного  зумпфа выявлены в двух основных  зонах, а именно в западной  и восточной его частях, непосредственно  под зумпфом. Ширина видимого  фильтрационного потока из борта  карьера в зоне производства работ (восточная часть) составляла порядка 22-24м. Видимая фильтрация была представлена в виде сплошного водного потока изливающегося, в основном, из горизонтальной трещины мощностью около 5см. 

     Пробурено три нагнетательные скважины и одна контрольная скважина. Расстояние между нагнетательными скважинами составляло 14м. По окончании нагнетания, ширина фильтрационного потока сократилась до 20м.  Водный поток из сплошного трансформировался в дискретный,  с осушением центральных участков трещины. По окончании бурения и нагнетания в скважины №1н, №2н, №3н между скважинами №2н и №3н пробурена контрольная скважина, по результатам бурения сделан вывод о радиусе распространения смеси, составившем более 7м.

     В октябре-ноябре 2004 г. работниками гидрогеологического участка Восточного рудника был проведен анализ вышеуказанной  противофильтрационной завесы. По составленной балансовой  схеме водоотведения из основного и промежуточного зумпфов Коашвинского карьера определено снижение объема фильтрации на 150м³/час. Можно говорить, что даже несовершенная противофильтрационная завеса дает положительные результаты и повышает уровень безопасного производства работ.

     Работы  по созданию совершенной ПФЗ продолжены в июле 2005 года. Протяженность завесы - 150 м, завеса однорядная, расстояние между скважинами варьировалось от 5 до 14 м. Количество скважин 24. По окончании работ гидрогеологической службой рудника был проведен анализ эффективности вышеуказанной  противофильтрационной завесы. По составленной балансовой  схеме водоотведения из основного и промежуточного зумпфов Коашвинского карьера определено снижение объема фильтрации до 20м³/час.

    Способность тампонажной смеси выдерживать  высокое давление при сохранении гидроизолирующих свойств позволяет  использовать смесь в сложных гидродинамических условиях большинства месторождений. Помимо этого перспективным направлением использования ЛП является гидроизоляция бортов карьера представленных не только скальными породами, но и четвертичными отложениями. Работы в этом направлении продолжаются.