Способ изоляции трещин горных выработок для захоронения отходов и растворов техногенных урановых руд

(51)721 9/24, 21 15/00,21 33/13 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Алтаев Шаукат Жукова Светлана Георгиевна Кадырсизов Нурмухамет Жангалиева Мария Жумабеков Дармен Амирович Джумабаев Ерлан Исаханович(73) Дочернее государственное предприятие Институт горного дела им. Д.А. Кунаева Республиканского государственного предприятия Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан Министерства индустрии и торговли Республики Казахстан(54) СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ТРЕЩИН ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ ОТХОДОВ И РАСТВОРОВ ТЕХНОГЕННЫХ УРАНОВЫХ РУД(57) Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам изоляции отходов и растворов техногенных урановых руд, и может быть использовано при изоляции растворов и водопритоков в нефтяных скважинах. Применением заявленного изобретения достигается повышение прочности формирующегося в трещинах горного массива изолирующего экрана. Указанный результат достигается тем, что в способе изоляции трещин горных выработок для захоронения отходов и растворов техногенных урановых руд, включающем закачку в трещины горного массива двух различных изолирующих составов, причем первой закачивают суспензию вяжущего на основе цемента с добавкой и после ее схватывания в трещины закачивают второй состав, согласно изобретению в качестве добавки суспензии вяжущего используют 10-20 мас. бентонита и 2-3 мас. сульфата алюминия, при этом в качестве второго изолирующего состава закачивают ненасыщенные полиэфирные смолы. 9542 Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам изоляция отходов и растворов техногенных урановых руд, и может быть использовано при изоляции растворов и водопритоков в нефтяных скважинах. Известен способ изоляции притока пластовых вод, при этом изоляцию притока пластовых вод осуществляют созданием забойной пробки путем закачки в скважину гранулированного магния в жидкости-носителе и последующей закачки продавочной жидкости - глинистого раствора. Затем через 25-30 ч - дополнительно закачивание жидкости или газа (а. с. СССР 1492027, кл. Е 21 В 43/32, 1989). Использование глинистого раствора в качестве продавочной жидкости позволяет уплотнить и упрочнить изоляционную структуру за счет создания над гранулами магния глинистой массы, при этом соединение магния является активным коагулянтом глинистого раствора, вызывающего образование агрегатных структур значительных размеров. Однако способ недостаточно надежный и эффективный. Прочность эффекта изоляции очень мала и не превышает 1-2 мес. Поэтому для изоляция отходов и растворов после выделения урана по данному способу изоляционный эффект не достигается вообще. Известен способ изоляции зон поглощения и притока пластовых вод в скважину, включающий постадийную закачку в пласт двух изоляционных составов, взаимодействующих с образованием закупоривающего осадка (а. с. СССР 2107158. кл. Е 21 В 43/32, 1998). Способ позволяет увеличить межремонтный период и снизить себестоимость ремонтно-изоляционных работ. Недостатками способа является то, что бутилкаучук, парахиноллиоксин и ПАВ, неспособные конденсироваться или способные дать только низкомолекулярные продукты, могут вымываться водопритоками, в результате этого долговечность изоляционного экрана в трещинах горных выработок снижается и теряет свою проницаемость, а также многокомпонентность состава. Известен способ изоляции водопритоков и зон поглощений в скважинах, включающий закачку в пласт двух различных составов, причем первой закачивают суспензию гипса и после схватывания его в пласт закачивают второй состав - синтетическую смолу с отвердителем (а.с. СССР 834342, кл. Е 21 В 43/32, 1981). В процессе гидратации гипса нефть остается в теле камня, а последующая закачка синтетической смолы на основе суммарных сланцевых фенолов приводит к ее вытеснению из поверхностного камня и замещению смолой. В результате обеспечивается получение прочного изоляционного экрана в пласте. Этот способ имеет следующие недостатки когда суспензия гипса проходит в трещины и поры в стенках скважины, она под действием минерализованных вод и высокой температуры начинает терять прочностные свойства, в результате чего образованные из них перемычки и изолирующий экран размываются потоками пластовой жидкости и нена 2 дежно изолируют стенки скважины. Синтетические смолы на основе суммарных сланцевых фенолов,являющиеся экстрактами, входят в состав кроме нейтральных углеводородных и кислородных соединений как активные, так и неактивные в отношении альдегидных отвердителей фенольных структур. При отверждении смолы с помощью формалина или параформа нейтральные масла и фенолы в составе смолы, неспособные конденсироваться вообще или способны дать низкомолекулярные, несетчатые нерастворимые конденсанты, могут вымываться водопритоками, в результате чего снижается непроницаемость изолирующего экрана. А также синтетические смолы на основе суммарных сланцевых фенолов после отверждения имеют 7-10 объемной усадки. Таким образом, способ образования изоляционного барьера путем закачки в пласт суспензии гипса и синтетической смолы на основе суммарных сланцевых фенолов с отвердителем из-за низкой водостойкости является ненадежным изоляционным составом при изоляции горных выработок для захоронения растворов и отходов в течение 5-10 лет. Известен способ изоляции поглощающего пласта(а.с. СССР 927966), в котором для снижения проницаемости пласта осуществляют закачку двух различных изолирующих составов - суспензия вяжущего на основе цемента с добавлением в него жидкого стекла и после его схватывания - закачивание в трещины эмульсионного раствора на нефтяной основе. Недостатки данного известного способа заключаются в том, что 1. При введении жидкого стекла с силикатным модулем 2,8-3,2 в состав суспензии цемента и при интенсивном перемешивании в процессе взаимодействия жидкого стекла с продуктами гидратации цемента нарушается структура жидкого стекла и раствор жидкого стекла способен коагулировать с образованием кислоты, создавая сравнительно хрупкие и водонестойкие связи между трещинами породы,также образованная кремниевая кислота в составе суспензии цемента имеет меньший показатель проникающей способности в трещиноватых породах,чем суспензии с таким же В/Т соотношением 2. Жидкая фаза цементно-силикатных суспензий с ненарушенной структурой силикатного стекла является силикатным раствором, который при нагнетании в трещины под давлением отфильтровывается и раствор жидкого стекла в трещины проникает на гораздо большее расстояние, чем цементные частицы. Вследствие этого часть раствора жидкого стекла не может участвовать в построении структуры цементного каркаса (камня) после отвердения. В воздушно-сухой среде цементно-силикатный камень с ненарушенной структурой силикатного стекла склонен к интенсивному растрескиванию. В результате длительного воздействия кислотных растворов происходит разрушение гидроизоляционного барьера, в цементно-силикатных изоляционных 9542 барьерах образуются каналы, поры, по которым могут просачиваться жидкость и растворы. Применение второго состава на нефтяной основе для изоляции трещиноватых пластов за счет низкой прочности и низкой устойчивости образующихся в пласте мыл не позволяет повысить эффективность изоляционных работ. Применением заявленного изобретения достигается повышение прочности формирующегося в трещинах горного массива изолирующего экрана. Указанный результат достигается тем, что в способе изоляции трещин горных выработок для захоронения отходов и растворов техногенных урановых руд, включающем закачку в трещины горного массива двух различных изолирующих составов, причем первой закачивают суспензию вяжущего на основе цемента с добавкой, и после ее схватывания в трещины закачивают второй состав, согласно изобретению в качестве добавки суспензии вяжущего используют 10-20 мас. бентонита и 2-3 мас. сульфата алюминия, при этом в качестве второго изолирующего состава закачивают ненасыщенные полиэфирные смолы. Бентонит и сульфат алюминия с дисперсией на основе цемента хорошо совместимы и этим способствуют увеличению седиментационной устойчивости и подвижности дисперсии цемента с бентонитом и сульфатом алюминия, и этот состав обладает более прочными технологическими свойствами и хорошей адгезией к породам (2,1-3,2 МПа) и снижается время отвердения цемента до 4-5 ч при 25 С. Молекулы монтмориллонита на своей поверхности в бентонитах способны удерживать и связывать 50-60 молекул воды затворения, что улучшает совместимость дисперсии цемента с дисперсией бентонита и соответственно повышает процент заполнения трещин, пор и пустот без фильтрации воды, без уменьшения объема и без усадки суспензии. Предлагаемый второй состав из эмульсии ненасыщенной полиэфирной смолы марки ПН-609-21 м,являясь однофазной жидкостью низкой вязкости,проникает под давлением в мельчайшие трещины,обладает высокой собственной (когезионной) прочностью и хорошей адгезией с породами массива. Наличие полярных групп смолы и ионов суспензии цемента обеспечивает адсорбцию боковых и основных цепочек ненасыщенной полиэфирной смолы суспензии цемента на поверхности минеральных частиц пород. При закачке в трещины горного массива двух различных изолирующих составов,имеющих различные по полярности и реакционной способности функциональные группы, при отверждении смолы и отвердении суспензии на основе цемента в результате образования химических связей с минеральными частицами горных пород, создается прочный изолирующий слой в трещинах, это позволяет- повысить заполняемость трещин до 90-95 за счет повышения седиментационной устойчивости и подвижности суспензии цемента- повысить коэффициент водостойкости смолы до 0,80-0,90 и адгезии к породам до 2,1-3,2 МПа, против 1,8-2,8 МПа по сравнению с известным. Прочная связь между минеральными частицами пород и молекулами полимера и суспензиями цемента возникает в том случае, если эти молекулы полярны и ионогенны. Наличие полярных групп смолы марки ПН-609-21 м и ионы суспензии цемента обеспечивают адсорбцию основных цепочек ненасыщенной полиэфирной смолы и суспензии цементов на поверхности минеральных частиц пород. При упрочнении и изоляции двух разнородных пород составы имеют средство к обеим склеиваемым поверхностям и содержат различные по полярности и реакционной способности функциональные группы и при отверждении или твердении состава в результате образования химических связей с минеральными частицами пород позволяют повысить прочность изоляции в течение 5 и более лет за счет применения цементных суспензий марки М-400 с коэффициентом водостойкости 0,85-0,90, смолы марки ПН-609-21 м или ПН-1 с коэффициентом водостойкости 0,95-0,98. Для захоронения отходов и растворов после добычи урана из руд выделяют участок из выработанного пространства горных выработок с коэффициентом крепости 12 и более по шкале Протодьяконова с вмещаемостью 800-1000 м 3. Для реализации предложенных технических решений предварительно составляют паспорт по трещиноватости (раскрытие,интенсивность, густота, длина и угол падения трещин), пористости и определяют его фильтрационные свойства применительно к скальным породам. Трещиноватость горных выработок устанавливают по данным предварительных гидравлических испытаний методом расходометрии, который заключается в нагнетании воды в шпуры глубиной 3-4 м, диаметром 36 или 42 мм, пробуренные по контуру выработки, в которые могут быть закачаны изолирующие составы. Другим методом предварительного определения зоны трещиноватости является метод ультразвукового каротажа. Глубокое проникновение состава возможно, когда размер твердых частиц суспензии цемента для закачки в 3-4 раза меньше ширины трещин. Поэтому суспензии цемента рекомендуются при ширине трещин более 0,1 мм и олигомерные смолы эффективны при ширине трещин от 0,01 до 0,05 мм. Для изоляции отходов и растворов урановых руд применяют первый состав с коэффициентом водостойкости 0,85-0,90 в кислотных средах при рН,равной 3-4, в водотвердом соотношении ВТ, равном 0,84 0,50, при следующем соотношении компонентов, мас.цемент марки М - 400-24,8-54,6, бентонит - 10-20, алюминий сульфат - 2-3, вода - остальное. Вторым составом являются ненасыщенные полиэфирные смолы марки ПН-609-21 м или ПН-1 с коэффициентом водостойкости 0,95-0,98 в кислотных средах при рН, равной 3-4, при следующем соотношении компонентов, мас. ненасыщенная по 3 9542 лиэфирная смола - 80-90, перекись бензоила в ДБФ 3-5 и 30 -ный раствор купороса железа - 4-7. Для отверждения ненасыщенной полиэфирной смолы используется окислительно-восстановительная инициирующая система перекиси бензоила и 30 -го раствора купороса железа. Сроки схватывания, истекаемость (вязкость) и водостойкость образцов при сжатии суспензии цемента и смолы в заданных условиях определяются опытным путем в лаборатории. Водопроницаемость измеряют и испытывают на модели пласта длиной 1,0 м и диаметром 0,03 м. В качестве пористой среды используют смесь различных фракций кварцевого песка. Основными характеристиками закупоривающих свойств состава принимают гидроизоляционный эффект , изменение проницаемости пористой среды для воды где К и К 1 - проницаемость модели 200 г воды через 7 сут. соответственно до закачки исследуемого состава и после образования гидроизоляционного экрана, г. Пример 1. Модель пласта заполняют водой. Определяют исходную проницаемость модели, затем последовательно закачивают суспензии цемента при водотвердом соотношения 0,84 с удельным весом 1,47-1,56 г/см 3, после смешивания суспензии в пористой среде модель пласта выдерживают в течение 7 сут. и определяют проницаемость модели после образования гидроизоляционного экрана и рассчитывают изменение проницаемости пористой среды. Пример 2. Способ аналогичен способу по примеру 1, но закачивают суспензию цемента при водотвердом соотношении 0,5 с удельным весом 1,701,85 г/см 3. Пример 3. Способ аналогичен способу по примеру 2, но на этот раз в модели закачивают ненасыщенные полиэфирные смолы марки ПН-609-21 м или ПН-1 с окислительно-восстановительной системой(отвердитель). В таблице приведены изменения проницаемости пористой среды и изоляционный эффект (порядок закачки последовательный). Пример 200 14 93,0 200 1,2 99,4 Как видно из таблицы, изоляционный эффект на примерах 1, 2 составляет 88,5, 93,0 . Это означает,что составы в водотвердом соотношении ВТ, равном 0,84-0,50, изолируют крупные и средние трещины и поры горных выработок и имеют усадку, поэтому закачка второго состава на основе ненасыщенной полиэфирной смолы необходима и позволяет создать прочный изолирующий экран, так как при ее закачке мелкие и тонкие трещины экранируются,затем происходит процесс отверждения смолы, заполнившей имеющиеся в горных массивах мелкие и тонкие поры и трещины. Технология приготовления тампонажного состава (суспензии цемента и полиэфирной ненасыщенной смолы с окислительно-восстановительной системой) для изоляции горных выработок при захоронении отходов и растворов техногенных урановых руд отличается простотой, при этом используются нетоксичные, недефицитные материалы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изоляции трещин горных выработок для захоронения отходов и растворов техногенных урановых руд, включающий закачку в трещины горного массива двух различных изолирующих составов, причем первой закачивают суспензию вяжущего на основе цемента с добавкой, и после ее схватывания в трещины закачивают второй состав, отличающийся тем, что в качестве добавки суспензии вяжущего используют 10-20 мас. бентонита и 23 мас. сульфата алюминия. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве второго изолирующего состава закачивают ненасыщенные полиэфирные смолы.