PL159282B1 - Sposób odwadniania przestrzeni podziemnej, zwlaszcza kopalni PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób odwadniania przestrzeni podzie- mnej, zwlaszcza kopalni, polegajacy na sztucznym spuszczaniu strefy gromadzenia wody lub groma- dzeniu wody z nasiakania i zalewaniu strefy powtórnego napelniania, oddzielonej od tej podziem- nej przestrzeni za pomoca nieprzepuszczalnego podkladu, poprzez podziemna stacje pompujaca i przy uzyciu przynajmniej jednego odwiertu napel- niajacego, znamienny tym, ze zalewa sie te strefe ponownego napelniania (3) bezposrednio z podziem- nej przestrzeni (1) woda nie wynoszona uprzednio na powierzchnie. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze zalewa sie strefe ponownego napelniania (3) przy cisnieniu mniejszym niz lacznie opornosc hydrauli- czna pomiedzy strefa gromadzenia wody (2) a strefa ponownego napelniania (3) oraz najmniejsza wytrzy- malosc górotworu stanowiacego nieprzepuszczalny poklad (4) pomiedzy podziemna przestrzenia (1) a strefa napelniania (3). F ig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odwadniania przestrzeni podziemnej, zwłaszcza kopalni, polegający na sztucznym spuszczaniu strefy gromadzenia wody lub gromadzeniu wody z nasiąkania i zalewaniu strefy ponownego napełniania, oddzielonej od przestrzeni podziemnej poprzez nieprzepuszczalny pokład, za pomocą podziemnej stacji pompującej i przy użyciu przynajmniej jednego odwiertu do ponownego napełniania.

Najpowszechniejszym sposobem odwadniania kopalni jest gromadzenie wody spuszczanej z kopalni lub wody nasiąkającej i wypompowywanie jej ku górze na powierzchnię. Gdy celowe jest umiarkowanie straty równowagi wodnej w warstwach zalewanych wskutek urabiania lub samorzutnie, wówczas pobieraną z kopalni wodę lub jej część wypompowuje się z powrotem do podziemnych stref gromadzenia wody, zwykle za pomocą studzienek wtryskowych. Tego rodzaju dwojakie zadanie techniczne, a mianowicie usuwanie wody z terenu kopalni w posób ciągły i zawracanie zapasu wody odciągniętej z podziemnej strefy gromadzenia wody, jest realizowane w' znany sposób, jednakże jest on zbyt skomplikowany i kosztowny. Ponadto przy ponownym wtryskiwaniu wody z powierzchni zwiększa się również ryzyko zanieczyszczenia.

Celem obecnego wynalazku jest wyeliminowanie powyższych niedogodności przez opracowanie sposobu usuwania wody z terenów kopalni i innych przestrzeni podziemnych i zawracanie jej do podziemnego systemu wodnego przy mniejszych kosztach i mniejszym ryzyku zewnętrznego zanieczyszczenia, niż w przypadku znanych sposobów.

Istota wynalazku polega na odkryciu, że woda spuszczana ze strefy gromadzenia wody podziemnej dla ochrony przestrzeni podziemnej lub woda nasiąkająca może być zawrócona z tej samej przestrzeni podziemnej, jeżeli spełnione są dwa warunki. Pierwszy warunek stanowi, że powinna występować strefa o wystarczająco dużej oporności hydraulicznej pomiędzy częścią spustową a częścią ponownie napełnianą podziemnego systemu wodnego.

159282 3

Drugi warunek polega na tym, że pomiędzy terenami kopalni a strefą ponownego napełniania podziemnego systemu wodnego powinien występować nieprzepuszczalny pokład, na którym ciśnienie wodne powodujące samorzutne rozwarcie hydrauliczne przewyższa stosowane ciśnienie wtryskiwania.

Jeżeli nie jest spełniony pierwszy warunek, wówczas przy ponownym napełnieniu znacznie wzrasta wydatek wody spustowej lub ilość wody z nasiąkania.

Jeżeli nie jest spełniony drugi warunek, wówczas woda wtłaczana z powrotem do podziemnego systemu wodnego spowoduje przeciek hydrauliczny poprzez nieprzepuszczalny pokład i tym samym woda z systemu gromadzenia wody podziemnej gwałtowanie wtargnie do kopalni podczas ponownego napełniania.

Sposób według wynalazku odwadniania przestrzeni podziemnej, zwłaszcza kopalni, polegający na sztucznym spuszczaniu strefy gromadzenia wody lub gromadzenia wody z nasiąkania i zalewaniu strefy ponownego napełniania oddzielonej od tej przestrzeni podziemnej poprzez nieprzepuszczalny pokład, za pomocą podziemnej stacji pompującej i przy użyciu przynajmniej jednego odwiertu do ponownego napełniania, jest realizowany przez zalewanie tej strefy ponownego napełniania bezpośrednio z przestrzeni podziemnej za pomocą wody bez wydobywania jej na powierzchnię.

Następną cechą charakterystyczną sposobu jest zalewanie tej strefy ponownego napełniania z ciśnieniem mniejszym niż oporność hydrauliczna pomiędzy strefą gromadzenia wody a strefą ponownego napełniania w połączeniu z najmniejszą wytrzymałością górotworu stanowiącego nieprzepuszczalny pokład pomiędzy przestrzenią podziemną a strefą ponownego napełniania.

Sposób może obejmować przedmuchiwanie tego nieprzepuszczalnego pokładu z jednoczesnym pomiarem ciśnienia przedmuchiwania i zalewanie strefy ponownego napełniania z ciśnieniem przynajmniej 5%, a korzystnie 10 do 15% mniejszym niż wspomniane ciśnienie przedmuchiwania.

W danym przypadku sposób może obejmować zredukowanie ciśnienia ponownego napełniania przez zastosowanie znanych sposobów intensyfikujących działanie, np. obróbkę kwasową i/lub przedmuchiwanie w odwiertach do ponownego napełniania.

Następnym sposobem skutecznego działania może być umieszczenie podsadzki zawierającej cement lub materiał uszczelniający w poprzek przynajmniej jednego odwiertu uszczelniającego pomiędzy strefą gromadzenia wody a strefą ponownego napełniania.

Ponadto sposób może obejmować klarowanie wody z nasiąkania przed zalaniem strefy ponownego napełniania.

Stosując ten sposób, przynajmniej część wody z nasiąkania lub wody spuszczanej ze strefy gromadzenia wody przez studzienki filtracyjne w znany sposób dla ochrony pracy kopalni, jest gromadzona korzystnie w zamkniętym lub przynajmniej chronionym przed zanieczyszczeniem grawitacyjnym kanale kolektorowym i jest prowadzona do stanowiska wtórnego wpompowywania, ustanowionego w kopalni.

Za pomocą stanowiska wtórnego wpompowywania i w razie potrzeby po obróbce, woda jest ponownie wprowadzana przez odwierty ponownego wtryskiwania do sektora strefy gromadzenia wody, oddzielonego od strefy spustowej podziemnego systemu gromadzenia wody za pomocą strefy o dużej oporności hydraulicznej i oddzielonego od terenów kopalni za pomocą nieprzepuszczalnego pokładu o wytrzymałości na hydrauliczne rozwarcie większej niż ciśnienie wtryskiwania.

W przypadku tektonicznego przecięcia podziemnych stref gromadzenia wody lub przecięcia nieprzepuszczalnymi międzywarstwami, można uzyskać wystarczającą oporność hydrauliczną pomiędzy strefą spustową a strefą wtryskiwania również poprzez właściwy wybór strefy gromadzenia wody, zaś w innych przypadkach oporność hydrauliczna między strefami spuszczania i ponownego napełniania powinna być zwiększana przez wypełnienie torów wodnych przynajmniej częściowo jako dodatkowy czynnik pomiarowy.

Zabezpieczenie przeciwko rozwarciu hydraulicznemu nieprzepuszczalnego pokładu pomiędzy kopalnią lub inną podziemną przestrzenią a strefą ponownego napełnienia powinno być kontrolowane za pomocą dwóch mierników, mianowicie miernika ciśnienia doświadczalnego wtryskiwania dmuchu w nieprzepuszczalnym pokładzie i miernika ciśnienia doświadczalnego ponownego wtryskiwania w strefie gromadzenia wody.

W zależności od zmierzonych wartości, najbardziej niekorzystna, najmniejsza wytrzymałość na rozwarcie powinna być odpowiednio zwiększona przez określenie odległości pomiędzy strefą ponownego wypełnienia a kopalnią najwyżej do granicy odpowiadającej początkowemu stanowi naprężeń i/łub można redukować konieczne ciśnienie ponownego wypełniania przez zwiększanie liczby odwiertów napełniających, lub przez znany sposób zwiększania produktywności, np. obróbkę kwasową lub przedmuchiwanie studzienek ponownego wtryskiwania.

Nadzwyczaj korzystne może okazać się gromadzenie wody, dopełniane ciśnieniem wody umożliwiającym ponowne nepełnienie poprzez absorpcję, bez pompowania.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykład zastosowania sposobu według wynalazku w warunkach hydrogeologicznych, w których warstwy przeznaczone do spuszczania i ponownego wypełniania są w odległym kontakcie hydraulicznym, fig. 2 - przykład zastosowania sposobu według wynalazku w przypadku, gdy zarówno spuszczanie jak i ponowne wypełnianie jest przeprowadzane w tej samej strefie gromadzenia wody, jednakże powierzchnie spuszczania i ponownego wypełniania nie są bezpośrednio połączone hydraulicznie, w wyniku przesunięcia tektonicznego, fig. 3 - przypadek, gdy połączenie pomiędzy strefami spuszczania i ponownego napełniania jest ograniczone przez częściowe uszczelnienie torów wody, a fig. 4 - przypadek mający na celu normowanie ujścia wody, wznoszącej się w świeżo uruchomionej kopalni, np. ze względu na niewystarczającą pojemność zasobników lub dla zmniejszenia kosztów doprowadzenia i szkodliwych efektów ekonomicznych spuszczania wody w podziemnym systemie gromadzenia wody. Następna różnica w stosunku do poprzednich przykładów polega na tym, że woda występuje w kopalni jako woda z nasiąkania zamiast lub w pobliżu odwiertów spustowych.

Na fig. 1 pokazano podziemną przestrzeń 1 w złożu 22, ponad którą znajduje się strefa gromadzenia wody 2, zagrażająca przestrzeni podziemnej 1. Na znacznej odległości od złoża 22 jest ona w kontakcie hydraulicznym, w wyniku nierównoległego układu warstw, ze strefą ponownego napełnienia 3 pod przestrzenią podziemną 1, oddzieloną od strefy podziemnej 1 nieprzepuszczalnym pokładem 4. Strefa gromadzenia wody 2 jest osączana przez odwierty spustowe 8 wychodzące z przestrzeni podziemnej 1 dla jej ochrony. Wskutek osączania początkowy poziom wody 24 strefy gromadzenia wody 2 staje się depresyjnym poziomem 11. W trakcie okresu czasu przed ponownym napełnieniem, spuszczona woda jest wynoszona na powierzchnię za pomocą zabezpieczającego stanowiska pompowania 17 poprzez rurę doprowadzającą 18. Przed rozpoczęciem ponownego napełniania powinno się zmierzyć ciśnienie rozwarcia pr, konieczne do przerwania nieprzepuszczalnego pokładu 4, w zestawie odwiertów 9 do wtryskiwania-wdmuchiwania zaraz po planowym ponownym wtryskiwaniu w nieprzepuszczalnym pokładzie 4, z boku strefy ponownego napełnienia 3, a następnie odwiert 9 do wtryskiwania-wdmuchiwania powinien zostać całkowicie uszczelniony materiałem ostatecznie twardniejącym.

Następnie w zestawie odwiertów 10 do doświadczalnego napełniania ponownego, wykonanym w strefie 3 ponownego napełnienia w kierunku wykonanego uprzednio doświadczalnego wdmuchiwania, przeprowadza się doświadczalne wtryskiwanie wody z ciśnieniem wtryskiwania wynoszącym najwyżej 85 do 90% ciśnienia w zerowania pr, dla określenia ilości wody, która może być napełniana z pompy napełniającej 12 przezjeden otwór. Jako dodatkowe pomiary mogą służyć znane sposoby zwiększania produktywności, np. przedmuchiwanie. Mając zmierzony wydatek spuszczania i wydatek ponownego napełniania przez jedną studzienkę, można celowo powiększyć system spustowych odwiertów 8 i napełniających odwiertów 5. Woda z odwiertów spustowych 8 po ustaleniu może być prowadzona poprzez rurociąg 13 i pompę napełniającą 12 do odwiertów napełniających 5.

Każdy z odwiertów napełniających 5 powinien być wyposażony w znany reduktor ciśnienia, np. zawór spustowy, nastawiony odpowiednio na 90% ciśnienia rozrywania pr.

Poprzez powyższe pomiary zmienia się poziom 14 wody przed napełnieniem strefy ponownego napełniania 13, tak że ciśnienie poziomu 15 wysokiej wody będzie zawsze mniejsze niż ciśnienie rozrywania pr, powodujące rozwarcie nieprzepuszczalnego pokładu 4.

Nieustalona część wody z odwiertów spustowych 8 jest wynoszona na powierzchnię za pomocą zabezpieczającego stanowiska pompującego 17 przez rurę doprowadzającą 18. Wydajność zabezpieczającego stanowiska pompującego 17 powinna być regulowana ze względu na możliwość częściowej awarii układu spustowo-napełniającego.

159282 5

Przykład pokazany na fig. 2 może być zastosowany w przypadku, gdy strefa gromadzenia wody 2 jest przecięta uskokiem tektonicznym, co oznacza wystarczająco dużą oporność hydrauliczną pomiędzy podzielonymi tektonicznie częściami.

Na fig. 2 strefa gromadzenia wody 2 bezpośrednio przykrywa podziemną przestrzeń 1. Strefa napełniania 3 jest oddzielona . ód strefy gromadzenia wody 2 za pomocą nieprzepuszczalnego pokładu 4 wskutek przemieszczenia tektonicznego 19. W tym przypadku przestrzeń podziemna 1 może być zbliżona do strefy napełniania 3 na odległość, przy której nieprzepuszczalny pokład 4 będzie stanowił ochronę przeciwko rozwarciu hydraulicznemu.

Z tego względu praca kopalni powinna być najpierw ograniczona do wstępnej bariery terenowej 20, w bezpiecznej odległości około 100 do 150 m od strefy napełniania 3, a następnie powinno się zmierzyć ciśnienie rozwarcia pr w zestawie odwiertów napełniająco-wdmuchujących 9, skierowanych do strefy napełniania 3. Mając zmierzone odpowiednie wartości można określić odległość od strefy podziemnej 1 do strefy napełniania 3, tak że ciśnienie napełniania wynosi 85 do 90% ciśnienia rozwarcia pr, aby nie przekroczyło początkowego ciśnienia wody w strefie napełniania 3. Następnie podziemna przestrzeń 1 przybliża się do strefy napełniania 3 do dozwolonej bariery terenowej 21 pod ochroną odwiertów spustowych 8 i zabezpieczającego stanowiska pompującego 17, po czym prowadzony jest nowy odwiert wtryskująco-wdmuchujący 9, w którym mierzy się wartość ciśnienia rozwarcia. W zależności od zmierzonych wartości procedurę można powtórzyć łub postępować według przykładu pokazanego na fig. 1.

Na fig. 3 różnica hydrogeologicznej sytuacji w porównaniu z fig. 2 polega na tym, że uskok tektoniczny 19 nie przerwał hydraulicznego kontaktu pomiędzy strefą gromadzenia wody 2 a strefą napełniania 3. W tym przypadku drogi wodne wzdłuż uskoku tektonicznego 19 powinny być przynajmniej częściowo uszczelnione przez odwierty uszczelniające 6, odprowadzone odpowiednio od powierzchni, ustanawiając tym samym strefę 23 o zwiększonej oporności hydraulicznej. Dalsza procedura przebiega według przykładu pokazanego na fig. 2.

Na fig. 4 woda 7 z nasiąkania pojawia się w podziemnej przestrzeni 1 od spodu strefy gromadzenia wody 2 poprzez nieprzepuszczalny pokład 4 o niewystarczającej grubości i jest prowadzona kanałem grawitacyjnym 25 do zabezpieczającej stacji pompującej 17. Dla napełniania można wykorzystać warstwę pokrywową strefy napełniania 3, której poziom wody 14 przed napełnieniem jest znacznie niższy niż poziom powierzchniowy.

Strefa gromadzenia wody 2 i strefa napełniania 3 są połączone hydraulicznie wskutek nierównołegłości warstw, tak jak w sytuacji goelogicznej na fig. 1. Podziemna przestrzeń 1 jest oddzielona od strefy napełniania 3 poprzez nieprzepuszczalny pokład 4.

Pierwsze doświadczenia określające dopuszczalne ciśnienie.napełniania muszą być dokonane w odwiercie wtryskująco-wdmuchującym 9, następnie prowadzi się eksperymentalne napełnienie za pomocą eksperymentalnego odwiertu napełniającego 10, po czym można poprowadzić odwierty napełniające 5, jak pokazano na fig. 1. Gdy układ odwiertów napełniających 5 jest gotowy do pracy, wówczas część wody z nasiąkania ustalona uprzednio jest prowadzona do odstojnika 26, z którego jest pompowana za pomocą pompy napełniającej 12 do odwiertów napełniających 5. Stosując ten sposób można częściowo zwolnić zabezpieczającą stację pompującą 17, a tym samym wydatek energetyczny podniesienia wody można zmniejszyć o różnicę poziomu wysokiej wody 15 i poziomu powierzchniowego, a ponadto można polepszyć równowagę wodną o ilość wody napełnionej.

Korzyści zastosowania sposobu według wynalazku są następujące. Woda spuszczona z podziemnego systemu wodnego jest zawracana bezpośrednio. Mniejsze są koszty inwestycji i koszty robocze przy odwadnianiu i napełnianiu, w porównaniu ze znanymi sposobami. Nie jest kosztowna obróbka wody konieczna przed napełnianiem, ponieważ woda jest zwykle obrabiana w układzie zamkniętym.

Częstokroć, zwłaszcza gdy początkowe ciśnienie wody jest stosunkowo niskie a strefy napełniania mają dobrą przepuszczalność, koszty wynoszenia wody w sposobie według wynalazku są nawet niższe niż koszty w przypadku sposobu, w którym woda jest jedynie wypompowywana na powierzchnię bez zawracania. Oznacza to, że oszczędzający wodę sposób według wynalazku jest tańszy niż tradycyjne sposoby, w których woda ulega traceniu.

Wskutek tej ostatniej korzyści sposób według wynalazku może być stosowany tam, gdzie inne sposoby są nieekonomiczne.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób odwadniania przestrzeni podziemnej, zwłaszcza kopalni, polegający na sztucznym spuszczaniu strefy gromadzenia wody lub gromadzeniu wody z nasiąkania i zalewaniu strefy powtórnego napełniania, oddzielonej od tej podziemnej przestrzeni za pomocą nieprzepuszczalnego podkładu, poprzez podziemną stację pompującą i przy użyciu przynajmniej jednego odwiertu napełniającego, znamienny tym, że zalewa się tę strefę ponownego napełniania (3) bezpośrednio z podziemnej przestrzeni (1) wodą nie wynoszoną uprzednio na powierzchnię.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zalewa się strefę ponownego napełniania (3) przy ciśnieniu mniejszym niż łącznie oporność hydrauliczna pomiędzy strefą gromadzenia wody (2) a strefą ponownego napełniania (3) oraz najmniejsza wytrzymałość górotworu stanowiącego nieprzepuszczalny pokład (4) pomiędzy podziemną przestrzenią (1) a strefą napełniania (3).

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przedmuchuje się ten nieprzepuszczalny pokład (4) z jednoczesnym pomiarem ciśnienia przedmuchiwania, i zalewa się tę strefę ponownego napełniania (3) z ciśnieniem przynajmniej 5%, a korzystnie 10 do 15% mniejszym niż ciśnienie przedmuchiwania.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że redukuje się ciśnienie napełniania przez zastosowanie znanych sposobów zwiększających skuteczność, przykładowo poprzez obróbkę kwasową i/lub przedmuchiwanie odwiertów do napełniania (5).

5. Sposób według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że wkłada się gruz wypełniający, zawierający materiał uszczelniający lub cement w przynajmniej jeden odwiert uszczelniający (6) pomiędzy strefę gromadzenia wody (2) a strefę napełniania (3).

6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że powoduje się klarowanie wody z nasiąkania (7) przed zalaniem strefy ponownego napełniania (3).