ЛЕКЦИЯ 10. Геотехнологические системы разработки месторождений

Под системой разработки месторождений полезных ископаемых геотехнологическими способами понимается порядок расположения, проходки и включения в работу добычных и вспомогательных скважин, увязанный в пространстве и времени.

Цель любого производственного процесса — получение максимального эффекта при минимальных затратах. Дополнительными технологическими и экономическими требованиями, предъявляемыми к системам разработки являются:

§ обеспечение заданного уровня извлечения;

§ обеспечение заданного уровня добычи;

§ достижение минимальной себестоимости;

§ обеспечение экологической чистоты.

В первую очередь система разработки определяется сеткой расположения скважин, которая зависит от горногеологических условий и от способа отделения полезного ископаемого, способа управления горным давлением.

Для каждого способа геотехнологической отработки месторождений полезных ископаемых характерны определённые варианты размещения скважин и технологии добычи.

Классификация геотехнологических систем разработки по способу подготовки месторождения приведена в табл. 4.

Таблица 4

Классификация геотехнологических систем разработки

По сути дела, системы с индексами III и IV не являются в чистом виде геотехнологическими, а комбинированными.

Наиболее определено понятие система разработки при скважинной гидродобыче, так как при этом способе очень чётко выражается понятие очистного забоя. Форма очистного забоя, последовательность и направление очистной выемки, кроме параметров, характеризующих элементы залегания месторождения, во многом определяются используемым оборудованием и приёмами ведения технологического процесса. При способе скважинной гидродобычи в очистном забое выполняются практически все основные производственные процессы, осуществляемые и в очистном забое шахты или рудника: отбойка, доставка и управление кровлей. Как видно, отсутствует только процесс крепления кровли, но и при большинстве рудных систем разработки он также отсутствует.

При скважинной гидродобыче важным элементом технологии является технологическая схема выемки руды в мере, отличающаяся по направлению действия гидромониторной струи и схемы доставки разрушенной руды к всасу выдачного устройства. Принципиальные технологические схемы выемки руды в камере при скважинной гидродобыче приведены на рис. 10. Различают схемы выемки: встречным, попутным, совмещенным забоями и комбинированный способ выемки.

При схеме выемки встречным забоем направление разрушающей струи гидромонитора не совпадает с направлением смывающей струи (рис. 10,б).

При схеме выемки попутным забоем направление разрушающей струи гидромонитора совпадает полностью или частично с направлением смывающей струи (рис. 10,а).

При схеме выемки совмещённым забоем струи боковых насадок гидромонитора попутным забоем разрушают пласт руды и смывают её к всасу пульпоподъёмного механизма, а струи передних насадок встречным забоем разрабатывают пласт (рис. 10,в).

При комбинированном способе выемки две рядом расположенные камеры отрабатываются по схеме встречным или совмещённым забоями, а отработка междукамерного целика и смыв отбитой руды с почвы камеры ведутся по схеме попутного забоя.

В любом случае, при углах падения залежи менее 5° необходимо организовать принудительную доставку разрушенной руды к всасу пульпо-подъёмного механизма либо созданием искусственного уклона в почве камеры, что сопровождается разубоживанием руды, либо гидромониторной струёй. При углах падения залежи более 5° доставка разрушенной руды осуществляется самотёком.

При отработке залежи сплошным забоем пласт отрабатывается на всю мощность за один приём. При этом возможны два варианта:

§ пласт отрабатывается гидромониторной струёй на всю мощность;

§ пласт подрезается гидромониторной струей у почвы, а вышерасположенная толща обрушается под воздействием горного давления.

При отработке залежи почвоуступным забоем пласт разрабатывается слоями сверху вниз.

При отработке залежи потолкоуступным забоем пласт разрабатывается слоями снизу вверх.

Форма отработанного пространства обычно бывает круглой при одиночных добывающих скважинах, а при взаимодействующих — в принципе, любой, что определяется расположением добычных скважин друг относительно друга, контурами залежи и формой, размещением и размерами целиков.

Существует несколько классификаций геотехнологических систем разработки, но наиболее удачной является классификация по способу управления горным давлением. По этому признаку различают:

§ системы с открытым очистным пространством;

§ системы с обрушением или плавной посадкой вмещающих пород;

§ системы с закладкой выработанного пространства.

Наиболее распространённые варианты систем разработки скважинной гидродобычи с открытым очистным пространством приведены на рис. 11.

При системе с камерами круглой формы и целиками, приведённой на рис. 11,а, каждая камера вскрывается двумя добычными скважинами 1 и 2, расположенными в центре добычной камеры 5 круглой формы. Одна из скважин является гидромониторной, а вторая — эрлифтной. Между камерами оставляются целики 4 сложной формы в плане.

При блоковой системе с ленточными целиками, приведённой на рис. 11,б, добычные скважины 1,2,3 располагаются в два ряда. Отработка залежи ведётся блоками. При отработке двух рядов добычных скважин образуется вытянутая по простиранию добычная камера – блок 5. Одновременно отрабатываются три скважины, при этом разрушается участок залежи треугольной формы. Между камерами оставляется ленточный целик 4. Расстояние между ленточными целиками определяется устойчивостью пролетов камер.

При камерной системе с звездообразными целиками, приведённой на рис. 11,в, добычные скважины 1,2,3 располагаются в вершинах равностороннего треугольника. Отработка залежи ведётся гексагональными камерами-блоками 5. На границах и в центре блоков располагаются целики 4, имеющие сложную звездообразную трёхлучевую форму. Угол между лучами двух соседних целиков составляет 60°. Ширина лучей – целиков составляет 1,0 - 1,5 м. Расстояние между добычными скважинами зависит от многих факторов и колеблется от 15 до 25 м.

Обычно системы с открытым очистным пространством применяются при устойчивых покрывающих породах.

При мощности залежи 2-3 м выемка руды осуществляется сплошным забоем, при большей — слоями. При этом слои оформляются таким образом, чтобы уклона почвы в них было достаточно для самотёчной доставки разрушенной руды.

Коэффициент извлечения руды при системах с открытым очистным пространством зависит от горно-геологических и горнотехнических факторов и составляет 50-70 %.

Достоинством систем с открытым очистным пространством является то, что добычные агрегаты располагаются над целиками, а добыча осуществляется, в основном, попутным забоем.

Наиболее распространённые варианты систем разработки скважинной гидродобычи с обрушением или плавной посадкой вмещающих пород приведены на рис. 12.

В зависимости от стадийности отработки залежи в камере, различают следующие технологические схемы: сплошным, почвоуступным и потолкоуступным забоями.

При системе с отдельными агрегатами, приведённое на рис. 12,а, отработка ведётся полосами по падению в одновременной работе могут находиться одна или несколько полос. Добычные скважины 1, 2, 3 бурятся по центру полосы. Отработка участка 5 ведется заходками I-VI от границ полосы к центру. После выемки заходок происходит обрушение или плавное опускание вмещающих пород 4. Выемка руды в одновременно отрабатываемых полосах ведётся обычно с опережением на одну скважину.

При системе с взаимодействующими агрегатами отрабатываемый участок залежи разбивается на ромбы, в вершинах которых бурятся добычные скважины 1, 2, 3, 1', 2', 3'.

Отработка участков-ромбов 5 ведётся последовательно или одновременно. Скважины, пробуренные в боковых вершинах ромбов 1, 3 являются гидромониторными, а в нижней — 2, 1', 3' — эрлифтными Отработка участков-ромбов ведётся по падению. При этом назначение скважин (гидромониторных и эрлифтных) может меняться. Отработка участка ведётся заходками I-VI, начиная снизу вверх. После отработки последней заходки VI происходит обрушение или плавное опускание вмещающих пород 4.

Системы разработки с обрушением или плавным опусканием вмещающих пород обычно применяются для выемки пластов, залегающих под неустойчивыми или пластичными породами. При необходимости возможно применение способов принудительного обрушения кровли гидроразрывом, взрывным торпедированием и т.п. Для уменьшения скорости обрушения кровли возможно оставление временных или податливых подзавальных целиков.

Сетка расположения скважин при системах разработки с обрушением и плавным опусканием зависит от числа взаимодействующих агрегатов, скорости подвигания очистного забоя и т.п.

При системах с обрушением и плавным опусканием вмещающих пород возможно вскрытие наклонными скважинами, расположенными за пределами зоны сдвижения покрывающих пород. Это позволяет существенно увеличить объём добычи из одной скважины и обеспечить полную безопасность ведения горных работ.

Системы разработки скважинной гидродобычи с закладкой выработанного пространства обычно применяются при добыче особо ценных руд, когда не допускается оставление целиков, или когда необходимо исключить или значительно уменьшить оседание земной поверхности. Один из возможных вариантов системы разработки с закладкой выработанного пространства приведён на рис. 12,б. Область применения этих систем может увеличиться, если вместо закладочного материала применять соответствующим образом подготовленные бытовые и вредные промышленные отходы.

Отработка залежи может вестись на всю мощность или слоями, но закладка возводится одновременно на всю мощность залежи снизу вверх. После окончания отработки и заполнения камер закладочным материалом приступают к погашению межкамерных целиков с или без закладки.

При технологии подземного выщелачивания выделяют три группы систем разработки, отличающихся схемой расположения скважин:

1) площадные (ячеистые) системы;

2) линейные системы;

3) комбинированные системы

Площадные (ячеистые) системы расположения скважин характерны наличием отдельных ячеек по всей площади залежи, при этом на каждую ячейку бурится одна откачная и насколько закачных скважин.

Линейные системы расположения скважин отличаются чередованием рядов откачных и закачных скважин.

Комбинированные системы расположения скважин включают элементы площадных и линейных систем. К комбинированным системам относятся также системы с пемзованием вертикальных и горизонтальных противо-фильтрационных завес, предотвращающих некоторые негативные особенности применяемых систем разработки.

Контрольные вопросы

1. Достоинства и недостатки систем разработки скважинной гидродобычи с обрушением или плавной посадкой вмещающих пород.

2. Достоинства и недостатки систем разработки, отличающихся схемой расположения скважин, при технологии подземного выщелачивания.

3. Область применения систем разработки с обрушением или плавным опусканием вмещающих пород.

4. Область применения систем разработки скважинной гидродобычи с закладкой выработанного пространства.