Скважинная гидродобыча полезных ископаемых

Скважинная гидродобыча (СГД) — метод подземной добычи твердых полезных ископаемых, основанный на приведении полезного ископаемого на месте залегания в подвижное состояние путем гидромеханического воздействия и выдачи его в виде гидросмеси на поверхность.

Основными технологическими процессами при скважинной гидродобыче являются: вскрытие месторождения с помощью скважин, гидравлическое разрушение (размыв) напорной струей воды (в осушенном или затопленном очистном пространстве), дезинтеграция и перевод в забое разрушенной массы в гидросмесь, транспортирование (самотечное или напорное) гидросмеси от забоя до пульпоприемной скважины (выработки), подъем гидросмеси на поверхность, обогащение, складирование хвостов обогащения, осветление оборотной воды и водоснабжение, управление горным давлением. Принципиальная технологическая схема предприятия скважинной гидродобычи приведена на
рис. 9.1.

Рис. 9.1. Принципиальная технологическая схема предприятия скважинной гидродобычи:

I — участок скважинной гидродобычи; II — участок повторной обработки целиков выщелачиванием; III — участок обогащения

Способ скважинной гидродобычи предложен советским инженером В.Г. Вишняковым в 1935 г. Он использовался при разработке фосфоритов и песков для стекольной промышленности в 60-х годах в Польше и рассыпного золота в 70-х годах в Канаде.

Основные работы по созданию промышленных образцов технических средств и технологических схем относятся к 70-м годам. С 1970 г. в США серийно выпускают установки скважинной гидродобычи, используемые для добычи мягких бокситовых руд, нефтеносных песчаников, урана. Промышленная разработка месторождений ураноносных песчаников способом скважинной гидродобычи начата в США с конца 1979 г.

В СССР и России скважинный способ применяли при добыче фосфоритов, а также обводненных крупнозернистых песков, залегающих под слоем многолетней мерзлоты в районе нефтяных месторождений Тюменской области, для создания промышленных площадок буровых установок.

Обычно методом скважинной гидродобычи разрабатываются рыхлые, слабосцементированные руды.

Перспективными для этого метода являются все легко диспергируемые, пористые, рыхлые и слабосвязные залежи полезных ископаемых, к которым относятся: месторождения торфа, фосфорит и марганецсодержащие отложения, россыпные месторождения золота, олова, янтаря, алмазов, титана, осадочные месторождения редких и радиоактивных руд, мягкие бокситовые руды, битуминозные песчаники, угли, горючие сланцы и т.п.

Скважинная гидродобыча может применяться как самостоятельный способ геотехнологической разработки, так и в комбинации с последующим подземным выщелачиванием при разработке песчано-глинистых и глинистых отложений.

Способ СГД может использоваться как вспомогательный (подготавливающий) для повышения эффективности подземного выщелачивания в залежи полезного ископаемого с недостаточной естественной проницаемостью.

Скважинная гидродобыча может использоваться для разведки (опробования) осадочных и россыпных месторождений, залегающих в сложных горно-геологических условиях, так как позволяет повысить достоверность геолого-разведочных данных и поднимать на поверхность большие технологические пробы массой до 100 т и более.

В соответствии с технологической схемой, приведенной на рис. 9.1, на предприятии выделяют три участка: I — участок скважинной гидродобычи;
II — участок повторной отработки целиков выщелачиванием; III — участок обогащения.

На участке повторной отработки целиков выщелачиванием используются те же скважины, что и на участке скважинной гидродобычи, но одни из них являются скважинами подачи растворителя 1, а другие — скважинами откачки раствора для сорбции 2.

Предприятие СГД включает: полигон с разбуренными скважинами и уложенными трубопроводами для подачи сжатого воздуха, напорной воды и гидротранспорта пульпы 3 до склада; осветлительный бассейн, насосную и компрессорную станции, электроподстанцию и другие подсобные службы.

Под технологией добычи полезных ископаемых методом СГД понимается совокупность производственных операций по разрушению и смыву руды, увязанная во времени и пространстве. Последовательность их выполнения составляет технологическую схему способа СГД.

Методы отработки добычной камеры могут отличаться по направлению действия струи гидромонитора и схеме доставки разрушенной руды к всасу выданного устройства:

♦ встречным забоем — когда направление разрушающей струи не совпадает с направлением смывающей насадки;

♦ попутным забоем — когда они полностью или частично совпадают;

♦ совмещенным забоем, когда струи боковых насадок гидромонитора попутным забоем разрушают пласт руды и смывают ее к всасу пульпоподъемного механизма, а струи передних насадок встречным забоем разрабатывают пласт;

♦ комбинированным забоем — когда сперва две рядом расположенные камеры отрабатывают встречным или совмещенным забоем, а затем попутным забоем производится отработка междукамерных целиков и зачистка почвы камеры.

Горные породы делятся на две группы: с жесткими связями, без жестких связей.

Для диспергирования методом СГД наиболее предпочтительны породы без жестких связей. Различают: связные (глинистые, лёссовые) и рыхлые горные породы. Существует несколько методов разрушения:

♦ фильтрационным потоком, когда происходит вымывание отдельных составляющих массива;

♦ гидромониторной струей, когда происходит разрушение массива и вынос продуктов разрушения.

Наиболее эффективен второй метод разрушения. В результате воздействия струи на забой в нем образуется лунка в форме параболоида, размеры которого зависят от крепости породы и времени воздействия. После удаления разрушенных частиц из лунки в ней образуются трещины. Если удар наносится под углом к поверхности, происходит отделение частиц от массива.

Отработка очистных камер может осуществляться встречам, попутным или боковым забоем.

При встречном забое направление самотечного движения потока пульпы противоположно движению гидромониторной струи. Отработка встречным забоем эффективна при разработке мощных залежей полезных ископаемых, превышающих 3 м, любого залегания, а также маломощных пологих, наклонных, крутонаклонных и крутых залежей с углами наклона более 6—8°, когда уклон почвы забоя обеспечивает эффективное самотечное транспортирование отбитой горной массы к выданной скважине.

При попутном забое направление движения потока пульпы совпадает с направлением струи, и ее энергия используется не голько для отбойки, но и для принудительной доставки отбитой массы полезного ископаемого к выданному устройству, что позволяет вести отработку тонких и весьма тонких (менее 1 м) по-югозалегающих (уклон менее 6°) и горизонтальных залежей полезного ископаемого с минимумом потерь и разубоживания.

При боковом забое по контуру очистной камеры или в центре ее до начала очистной выемки ниже почвы рудной залежи проводятся транспортные щели с уклоном более 6° в сторону зумпфа выданного устройства. Отбитая горная масса смывается струей гидромонитора в указанную щель, где обеспечены условия для эффективного самотечного гидротранспортирования.

Размеры камер определяются в основном устойчивостью пород кровли залежи. Так как отработка камеры ведется без присутствия людей в очистном забое, а средства контроля за состоянием кровли чрезвычайно сложны, размыв ведется непрерывно, вплоть до обрушения пород кровли. Время отработки камер невелико, отбойка ведется затопленной струей при подпоре пород кровли жидкостью за счет гидростатического давления, поэтому имеется возможность отрабатывать залежи с неустойчивыми вмещающими породами, разработка которых традиционным подземным способом неэффективна.

Отработка залежи может вестись или одиночными камерами, или сплошным забоем в отступающем порядке с управляемой посадкой кровли. Возможно управление кровлей полной закладкой.

По состоянию очистного пространства в процессе разработки выделяют 3 технологические схемы скважинной гидродобычи: с отбойкой полезного ископаемого в осушенном очистном пространстве свободными струями, в затопленном очистном пространстве свободными затопленными струями, с использованием плывунных свойств полезного ископаемого и разрушением несвободными затопленными струями.

Схема скважинной гидродобычи с отбойкой полезного ископаемого в осушенном забое, применяемая при небольших притоках воды, позволяет разрабатывать горные породы значительной крепости, осуществлять эффективную доставку отбитой горной массы, легко управлять очистными работами и горным давлением.

Схема скважинной гидродобычи с отбойкой полезного ископаемого в затопленном забое позволяет вести отработку несвязных залежей полезных ископаемых на больших глубинах в условиях больших водопритоков, в частности под водоемами и на шельфе Мирового океана.

Схема скважинной гидродобычи с использованием плывунных свойств полезного ископаемого, а также превращение полезных ископаемых в псевдоплывунное (подвижное) состояние за счет управляемого разрушения естественной структуры массива в связных горных породах применяется при достаточной мощности залежи полезного ископаемого (более 3 м). Для доставки рудной массы в псевдоплывунном или плывунном состоянии к выданному устройству используется давление вышележащих пород.

Вода в скважины подается по трубам с площадки насосной станции 4, куда подводится напорная вода 5. Разделение жидкого и твердого осуществляется на специальной площадке, в результате чего получается слив 6 и концентрат 7. При этом выдерется из грузопотока также шлам 8. Отгрузка концентрата осуществляется с погрузочной эстакады 9. Хвосты обогащения 10 поступают в хвостохранилище 11. Оборотная вода осветляется в пруде-отстойнике 12, куда также подается и подпиточная вода 13.

Основной инструмент для разрушения полезного ископаемого — напорная вода. Обычно это гидромониторная струя вода. Интенсификация разрушения достигается воздействием вибрации, взрыва, химического или микробиологического воздействия. Выдача полезного ископаемого на поверхность осуществляется эрлифтом, гидроэлеватором, погружными насосами или их комбинацией.

Технология СГД в принципе включает в себя следующее:

♦ проведение детальной разведки и планировки поверхности;

♦ вскрытие месторождения бурением добычных скважин щаметром 250—500 мм до подстилающих пород пласта;

♦ подготовительные работы по подаче воды, сжатого воздуха, электроэнергии;

♦ разрушение струей воды руды и выдача ее на поверхность в виде гидросмеси;

♦ гидротранспортирование в приемные бункеры.

Системы разработки при СГД могут быть различными: с открытым пространством, с обрушением покрывающих пород, с закладкой выработанного пространства; комбинированные.

Выбор той или иной системы разработки зависит от конфетных условий залегания месторождения.

Хотя первые предложения по применению скважинных гидромониторов относятся к 1936 г., широкого распространения метод СГД до сих пор не получил.

Различные способы разрушения горных пород и доставки их на поверхность предлагают С. Астон, Г. Вилдл, Б.В. Исмагилов, Д.И. Шпак и другие ученые.

Разрабатываются способы скважинной гидродобычи песчано-гравийных материалов, россыпного золота, руд других металлов из россыпных месторождений. Наиболее успешные результаты получены в США при разработке уранового месторождения. Ведутся работы по СГД в Польше. В бывшем СССР в начале 1970-х гг. обнадеживающие результаты получены на Кенгисепском месторождении фосфоритоносных песков.

В 1960—1970-е гг. обобщаются теоретические и методологические основы скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых в трудах
В.Ж. Аренса, Д.П. Лобанова, Н.В. Мельникова, А.И. Калабина и др.

После разработки участка производится его рекультивация.

Эффективность СГД определяется количеством руды, добываемой из одной скважины. Комплекс оборудования для разработки месторождений способом скважинной гидродобычи называется скважинным гидродобычным агрегатом. Он состоит из наземно-управляющей установки (НУУ) и скважинного гидродобычного снаряда (СГС).

В качестве НУУ используются специальные самоходные и несамоходные устройства — манипуляторы с гидравлическим или электромеханическим приводом, осуществляющие по определенной программе (жесткой или адаптивной) операции по очистной выемке. К таким операциям относятся: перемещение скважинного гидродобычного снаряда с заданной скоростью в вертикальной плоскости в пределах мощности залежи, повороты СГС в пределах угла раскрытия камеры; перевод гидромонитора на отработку следующей очистной камеры. Обычно в качестве НУУ используются те же буровые агрегаты, которыми осуществлялось бурение скважин.

Схема добычного снаряда скважинной гидродобычи приведена на рис. 9.2. Скважинный гидродобычной снаряд состоит из верхнего оголовка питателя I, набора секций става (водовода и пульповода) II, нижнего оголовка с гидромонитором и выданным устройством III. На рисунке римской цифрой IV показан рудный пласт, а цифрой V — налегающие породы.

Верхний оголовок СГС включает подъемное устройство 7, верхнюю изогнутую часть пульповода 2, поворотное устройство 3, грундбуксу 4, верхний герметизирующий сальник 5, водовод, монтируемый из обсадных труб, 6. Отдельные секции става монтируются с помощью муфтового соединения пульповода 7 и водовода 8. В налегающих породах перед вскрытием залежи устанавливается пакер 9.

Отбойка полезного ископаемого осуществляется гидромонитором 10, режим работы которого управляется регулирующим клапаном 11. Для пропуска и снижения сопротивления движению пульпы в пульповоде устанавливается обтекатель гидромонитора 12. В состав нижнего оголовка также входит смесительная камера гидроэлеватора 13 с насадкой 14. Заканчивается СГС клапаном бурового устройства 15 и буровым долотом 16. Отбитая горная масса скапливается в зумпфовой части скважины 17.

При технологической схеме СГД с осушенным очистным пространством применяются скважинные гидромониторы:

♦ встроенные, выполненные в виде цилиндрического патрубка и расположенные внутри СГС под углом 90° к его продольной оси;

♦ выводные, располагаемые шарнирно и занимающие при спусках и подъемах вертикальное положение в специальном углублении на внешней трубе СГС и выводящиеся в рабочее горизонтальное положение с помощью гидропривода или автоматически за счет силы реакции струи.

Выводной гидромонитор имеет вращающуюся головку с системой насадок, закрепленную на телескопическом стволе.

Система насадок включает: центральную — врубовую, не вращающуюся (20—40 мм), боковую отбойную (15—20 мм), направленную в сторону забоя под углом 20—50° к оси ствола, и боковую транспортирующую (20—30 мм), направленную назад, в сторону выданного механизма, и наклоненную под углом 10—15° к оси ствола.

Существует большое количество механизмов управления выводом телескопического ствола в горизонтальное положение, в том числе с гибким всасом. Длина става в рабочем положении — 6—8 м, в собранном — 1,75 м. Перемещение разрушенной горной массы к всасу выданного устройства происходит в потоке по почве камеры самотечным или напорным потоком.

Содержание глинистых частиц повышает устойчивость смеси.

Для смещения образцов различной формы и крупности требуются различные скорости потока.

Наибольшее распространение при СГД получил эрлифтный подъем. Эрлифтный подъем имеет очень низкий КПД (10—30 %), но широко применяется для откачки пульпы. Его достоинства: простота, надежность, возможность свободного выноса абразивных частиц. Кроме эрлифтов для подъема полезного ископаемого может быть использован гидроэлеватор, землесосы.

Для подъема рудной пульпы с глубины до 120—150 м используются высоконапорные гидроэлеваторы центрального, кольцевого или комбинированного типа, позволяющие осушать очистное пространство.

Для увеличения высоты подъема до 300 м разработаны комбинированные схемы подъема, в которых основным подъемным устройством является гидроэлеватор, вспомогательным — эрлифт.

При технологической схеме СГД с затопленным пространством в связи с быстрым гашением энергии свободных затопленных струй применяются гидромониторы: шаговые реактивные, телескопические выдвижные и выводные, удлиняющиеся до 8—12 м по мере продвижения забоя.

При этой технологической схеме подъем рудной пульпы осуществляется эрлифтами.

При технологической схеме СГД с использованием плывунных свойств руды применяются короткоствольные встроенные невыдвижные гидромониторы или разрушение за счет создания различий гидравлического градиента в разных частях залежи полезного ископаемого.

Подъем рудной пульпы при этой технологической схеме осуществляется гидроэлеваторами, эрлифтами или путем создания на месте разработки избыточного гидростатического давления.

Став промежуточных секций СГД собирается из соосно-расположенных труб различного диаметра, за счет чего образуются полости для подачи воды, сжатого воздуха и подъема пульпы. Монтаж всех колонн става может вестись с буровой установки одновременно со спуском нижнего оголовка. Такой СГС может осуществлять бурение скважин с обратно всасывающей промывкой. Гидромонитор при этой конструкции имеет возможность практически неограниченного продольного перемещения относительно поверхности. Колонны става могут монтироваться раздельно. При этом наружная труба СГС используется в неустойчивых налегающих породах в качестве обсадной, а нижний оголовок с пакером, перекрывающим межтрубное пространство, опускается на забой вместе с внутренней трубой. Продольное перемещение гидромонитора при такой конструкции ограничено длиной хода секции нижнего оголовка в пакере, составляющей до 10 м. При необходимости нижний оголовок может быть извлечен из скважины без подъема наружной (обсадной) трубы. Верхний оголовок в зависимости от принятой конструкции става изготовляется в виде двухпроходного или однопроходного вертлюга.

Метод скважинной гидродобычи требует еще серьезных научно-технических и опытно-конструкторских проработок для повышения его надежности и расширения области применения.

На освоенных месторождениях его эффективность доказана промышленной эксплуатацией. В последние годы существенно возрос объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по распространению способа СГД на месторождениях ископаемых углей со сложными горно-геологическими условиями залегания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

№ п/п	Наименование
	Арене В.Ж., Гридин Е.В., Крейнин Е.В., и др. «Физико-химическая геотехнология». Учебник для вузов, - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга», 2010. - 575с.
	Пучков Л.А., Шаровар И.И., Виткалов В.Г. «Геотехнологические способы разработки месторождений». Учебник для вузов. - М.: Издательство «Горная книга», 2006. - 322с.
	Исмагилов Т.Т., Голик В.И., Дольников Е.Б. «Специальные способы разработки месторождений полезных ископаемых». Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008. - 2008. - 331с.
	Арене В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д. и др. «Скважинная гидродобыча полезных ископаемых». Учебное пособие. - М.: Издательство «Горная книга», 2011. - 295 с.
	Шаровар И.И. «Геотехнологические способы разработки пластовых месторождений». Учебное пособие. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2007. - 244 с.
	Михеев О.В., Виткалов В.Г., Козовой Г.И., Атрушкевич В.А. «Подземная разработка пластовых месторождений». Учебное пособие - М.: Издательство московского государственного горного университета, - 2001. - 487с.