Скважинная гидродобыча полезных ископаемых

Скважинная гидродобыча (СГД) - метод подземной добычи твёрдых полезных ископаемых, основанный на приведении полезного ископаемого на месте залегания в подвижное состояние путём 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 пульпоприёмной скважины (выработки), подъём гидросмеси на поверхность, обогащение, складирование хвостов обогащения, осветление оборотной воды и водоснабжение, управление горным давлением. Принципиальная технологическая схема предприятия скважинной гидродобычи приведена на рис. 27.

Способ скважинной гидродобычи в нашей стране был предложен В.Г. Вишняковым в 1935 г.

Рис. 27. Принципиальная технологическая схема предприятия скважинной гидродобычи:

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

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 скважинную гидродобычу применяли при добыче фосфоритов, а также обводнённых 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 геологоразведочных данных и поднимать на поверхность большие технологические пробы весом до 100 т и более.

В соответствии с технологической схемой на рис. 27, на предприятии выделяют три участка: 1 — 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, осветительный 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 способу 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 её к всасу пульпоподъёмного 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 жёсткими связями, без жёстких связей. Для диспергирования методом СГД наиболее предпочтительны породы без жёстких связей. Различают: связные (глинистые, лессовые) 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 нём 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 встречным, попутным или боковым забоями.

При встречном забое направление самотёчного 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, круто-наклонных и крутых залежей с углами наклона более 6-8°, когда уклон почвы забоя обеспечивает эффективное самотечное транспортирование отбитой горной массы к выдачной скважине.

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

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

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

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 три 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 водоёмами и на шельфе Мирового океана.

Схема скважинной гидродобычи с использованием плывунных свойств полезного ископаемого, а также превращение полезных ископаемых в псевдоплывунное (подвижное) состояние за счёт 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.

По схеме на рис.27 вода в скважины подаётся по трубам с площадки насосной станции 4, куда подводится напорная вода 5. Разделение жидкого и твёрдого осуществляется на специальной площадке, в результате чего получается слив 6 и концентрат 7. При этом выделяется 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 подаётся и подпиточная вода 13.

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

Технология СГД в принципе заключается в следующем:

§ проведение детальной разведки и планировки поверхности;

§ вскрытие месторождения бурением добычных скважин диаметром 250-500 мм до подстилающих пород пласта,

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

§ разрушение струей воды руды и выдача её на поверхность в виде гидросмеси;

§ гидротранспортирование в приёмные 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 конкретных условий залегания месторождения.

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 наземноуправляющей установки (НУУ) и скважинного гидродобычного снаряда (СГС).

В качестве НУУ используются специальные самоходные и несамоходные устройства — манипуляторы с гидравлическим или электромеханическим приводом, осуществляющие по определённой 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. 1.5.15. Скважинный гидродобычной снаряд состоит из верхнего оголовка питателя I, набора секций става (водовода и пульповода) II, нижнего оголовка с гидромонитором и выдачным устройством III. Ha рисунке римской цифрой IV показан рудный пласт, а цифрой V налегающие породы.

Верхний оголовок СГС включает подъёмное устройство 1, 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.

Рис. 28. Схема добычного снаряда скважинной гидродобычи: I — верхний оголовок питателя, II — набор секций става (водовода и пульповода); III — нижний оголовок с гидромонитором и выданным устройством, IV—рудный пласт, V—налегающие породы

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 подъёмах вертикальное положение в специальном углублении на внешней трубе СГС и выводящиеся в рабочее горизонтальное положение с помощью гидропривода или автоматически за счёт 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 — 1,75м Перемещение разрушенной горной массы к всасу выдачного устройства происходит в потоке по почве камеры самотёчным или напорным потоком.

Содержание глинистых частиц повышает устойчивость смеси.

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

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

Для подъёма рудной пульпы с глубины до 120-150 м используются высоконапорные гидроэлеваторы центрального, кольцевого или комбинированного типов, позволяющие осушать очистное пространство.

Для увеличения высоты подъёма до 300 м разработаны комбинированные схемы подъёма, в которых основным подъёмным 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 подъём рудной пульпы осуществляется эрлифтами.

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

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

Став промежуточных секций СГД собирается из соосно-расположенных труб различного диаметра, за счёт чего образуются полости для подачи воды, сжатого воздуха и подъёма 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 извлечён из скважины без подъёма наружной (обсадной) трубы. Верхний оголовок в зависимости от принятой конструкции става изготовляется в виде двухпроходного или однопроходного вертлюга.

Метод скважинной гидродобычи требует ещё серьёзных научно-технических и опытно-конструкторских проработок для повышения его надёжности и расширения области применения.

На освоенных месторождениях его эффективность доказана промышленной эксплуатацией. Неизменным остается интерес к бесшахтным методам, в том числе – к СГД для разработки месторождениий ископаемых углей со сложными горно-геологическими условиями залегания.

Контрольные вопросы

1. Какие месторождения являются перспективными для метода СГД?

2. Какой вид транспорта получил наибольшее распространение при СГД?

3. Какие выделяют три технологические схемы скважинной гидродобычи: с отбойкой полезного ископаемого по состоянию очистного пространства в процессе разработки ?

РЕФЕРАТЫ

Требования к оформлению

Объем реферата должен составлять 20-25 печатных страниц формата А4 шрифт TimesNewRoman Cyr кегль 12, интервал 1,5 пт. Реферат должен иметь не менее 2 иллюстраций, поясняющих текст, например, технологические схемы или детали базового устройства.

Реферат должен иметь титульный лист установленной в Университете формы с обязательным указанием заданной темы реферата, шифра зачетной книжки студента, его имени и инициалов.

Каждый реферат, вне зависимости от его темы, должен начинаться разделом с изложением существа скважинной добычи, особенностей ее применения и причин, вызывающих необходимость применения такой технологии.

Последний раздел каждого реферата должен содержать полученные из литературных источников или собственные мнения автора об экологической нагрузке на окружающую среду и об экономической эффективности рассматриваемой в реферате технологии, путях и перспективах ее развития.

Очень важен СТИЛЬ изложения заключительного раздела.

В научных публикациях НЕ следует употреблять местоимение «я».

Причина в том, что научный результат обычно достигается усилиями многих людей. Разумеется, это учебный реферат и никого в этой работе рядом не было. Однако впереди - работы более объемные и трудоёмкие, как правило. И коллективные. Поэтому и в данном учебном СЛУЧАЕ следует всё излагать в третьем лице. Например, «установлено» то-то и то-то, «отмечено», «показано» и т.п. вместо "я установил (-а), я отметил (-а)" и т.д. Можно использовать вводные слова, например «было доказано» или «было отмечено», но не слишком часто, потому что повторы хороши в устной речи, в тексте повторы не приемлемы стилистически.

Абзацы разделяют текст как отдельные фразы, содержащие отдельные мысли, рассуждения. А потому есть определенные правила представления текста, разбитого на абзацы:

1) абзацы следует оформлять абзацным отступом (в Word”е это обычно 1,25 см).

- абзацы не следует начинать с местоимений, потому что отдельный абзац это отдельная самостоятельная мысль. Местоимение в начале абзаца ставит читателя в тупик - к какой именно части текста местоимение относится?

- 3) страницы реферата должны быть пронумерованы (внизу по центру), чтобы оглавление работало.

Если есть список использованной литературы, должны быть и указания в тексте (ссылки) на конкретные литературные источники, из которых позаимствована та или иная фраза. Список литературных источников - это не список книг в библиотеке, скажем, а список именно ИСПОЛЬЗОВАННЫХ в качестве ИСТОЧНИКОВ книг (статей или др.)

1.