Способ подземной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления
METHOD FOR UNDERGROUND HYDRAULIC MINING OF MINERALS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при отработке месторождений полезных ископаемых методом скважинной гидродобычи. Применение данного технического решения особенно целесообразно для отработки месторождений, представлено рудными телами пластовой, линзообразной, гнездовой и т.п. форм, перекрытых неустойчивыми породами. К таким месторождениям относятся, например, торфяные залежи, залежи сапропели, ПГС (песчано-гравийной смеси), каменный уголь, горючие сланцы. Кроме того такая форма залегания характерна для ролловых месторождений урана.
Известен способ подземной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивной формации добычными и вспомогательными скважинами, размещение в добычных скважинах устройств для скважинной гидродобычи, размыв пород кровли над продуктивной формацией с образованием полости в виде свода естественного равновесия, армирование и заполнение этой полости твердеющей смесью для создания искусственной кровли, формирование в продуктивной формации наклонного искусственного днища в виде перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса отбитой горной массы, размыв продуктивной формации снизу вверх, периодическую зачистку искусственного днища и подъем отбитой горной массы, последующую закладку добычной камеры твердеющей смесью в режиме гидроразрыва через вспомогательные скважины (см. патент РФ №2107165, кл. МКИ 6 Е21С 45/00, 1997 г.).
Данный способ позволяет отрабатывать продуктивные формации, перекрытые неустойчивыми покрывающими породами. Но осуществление этого способа осложнено необходимостью создания наклонного днища, что трудно технически исполнить обычными скважинными гидромониторами, а также необходимостью периодического изменения зенитного угла струи жидкости от горизонтального, при размыве массива камеры, до наклонного, при зачистке днища. Кроме того, данный способ не позволяет оперативно регулировать состояние забойного пространства и приводить в соответствие с ним и производительностью размыва, производительность подъемного устройства, что отрицательно сказывается на эффективности отработки месторождения.
Известно устройство для подземной гидродобычи полезных, включающее высоконапорный подающий став, поворотный гидромонитор со стволом, насадкой и коленом, фиксатор, шарнир с полостью, гидравлически связывающий гидромонитор и высоконапорный подающий став, и пульповыдачную колонну (авторское свидетельство СССР №1095014, кл. МКИ 6 Е21С 45/00, 1983 г.).
Данное устройство не позволяет осуществлять подачу воздуха в призабойное пространство, кроме того, при развороте гидромонитора в вертикальной плоскости происходят частые поломки за счет того, что ствол упирается в необрушенную кровлю начальной камеры и заклинивается, переламывается и т.п.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности отработки месторождений полезных ископаемых.
Техническим результатом, достигаемым в результате использования изобретения, является обеспечение создания камеры заданной конфигурации, приведение в соответствие производительности подъемного устройства с состоянием забоя и производительностью размыва, и повышение надежности работы устройства для подземной гидродобычи.
Технический результат достигается тем, что в способе гидродобычи полезных ископаемых, включающем вскрытие продуктивной формации добычными и вспомогательными скважинами, размещение в добычных скважинах устройства для подземной гидродобычи, размыв пород кровли над продуктивной формацией до образования полости в виде свода естественного равновесия, армирование и заполнение этой полости твердеющей смесью для создания искусственной кровли, формирование в продуктивной формации наклонного искусственного днища в виде перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса отбитой горной массы, размыв продуктивной формации снизу вверх, периодическую зачистку искусственного днища и подъем отбитой горной массы на поверхность, последующую закладку добычной камеры в режиме гидроразрыва через вспомогательные скважины, отличающийся тем, что перед началом размыва продуктивной формации, в добычную камеру подают сжатый воздух и оттесняют воду от забоя, размыв ведут устройством для подземной гидродобычи с поворотным гидромонитором, а за счет давления воздуха, перед началом и в процессе отбойки, уровень воды в камере поддерживают выше магазина отбитой горной массы, но ниже выходного отверстия насадки гидромонитора, при этом производительность подъемного устройства регулируют изменением давления воздуха в добычной камере, размыв ведут слоями, мощность которых выбирают из условия их разрушения при падении на поверхность заполняющей днище массы.
Мощность слоев определяют из соотношения
где h - мощность размываемого слоя, м;
Н - расстояние от размываемого слоя до поверхности заполняющей днище массы, м;
K - коэффициент, характеризующий прочность горной массы;
k - коэффициент, характеризующий поверхность заполняющего днище материала.
Способ осуществляется устройством для подземной гидродобычи полезных ископаемых, включающим, высоконапорный подающий став для жидкости, поворотный гидромонитор со стволом, насадкой и коленом, фиксатор, шарнир с полостью, гидравлически связывающий гидромонитор и высоконапорный подающий став, подъемный узел с пульповыдачной колонной, отличающееся тем, что устройство снабжено трубопроводом сжатого воздуха, насадка и ствол выполнены съемными, ствол выполнен из гибкого эластичного материала, а высоконапорный подающий став для жидкости и трубопровод сжатого воздуха расположены внутри пульповыдачной колонны и контактируют с ней и между собой своими стенками.
Кроме того, устройство снабжено подпружиненным щупом и ограничителем поворота гидромонитора, которые закреплены на поверхности пульповыдачной колонны, при этом ограничитель поворота шарнирно закреплен над гидромонитором, а щуп выполнен регулируемой длины и подвижно закреплен в направляющем корпусе.
В указанную совокупность включены все существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для достижения указанного технического результата.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена общая схема отработки камеры;
на фиг. 2 - устройством для подземной гидродобычи полезных ископаемых;
на фиг. 3 - сечение по А-А;
на фиг. 4 - вид 1.
Способ осуществляется следующим образом.
С поверхности месторождения бурят добычную скважину 1 и вспомогательные скважины 2 и 3. Добычную скважину 1 и вспомогательные скважины 2 бурят до границы покрывающих пород 4 и продуктивной формации 5. В добычную скважину 1 помещают устройство для подземной гидродобычи полезных ископаемых 6 и осуществляют размыв покрывающих пород 4 на границе с продуктивной формацией 5. В процессе размыва покрывающих пород 4 над продуктивной формацией 5 формируют полость 7, ограниченную поверхностью свода естественного равновесия.
После формирования в покрывающих породах 4 полости 7, во вспомогательных скважинах 2 и полости 7 через скважины 2, монтируют металлическую арматуру 9, верхние концы которой закрепляют на поверхности. Затем в полость 7, через вспомогательные скважины 2, подают твердеющий раствор до полного заполнения им объема полости 7. Подачу твердеющего раствора осуществляют до тех пор, пока его уровень не превысит верхнюю границу поверхности свода естественного равновесия. После затвердевания твердеющего раствора, образуется устойчивая искусственная кровля.
Сформированная таким образом устойчивая искусственная кровля надежно изолирует покрывающие породы 4, находящиеся над сводом, от попадания их на днище 10 добычной камеры 11.
После образования искусственной кровли, добычную скважину 1 проходят до почвы продуктивного пласта.
Устройство для подземной гидродобычи полезных ископаемых 6 с подающим ставом 12, пульповыдачной колонной 13, трубопроводом сжатого воздуха 14 и поворотным гидромонитором со стволом 15, насадкой 16 и коленом 17, опускают на забой скважины 1 и начинают размыв продуктивной формации 5. При размыве в нижней части добычной камеры 11 формируют наклонное днище 10 в форме перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса отбитой горной массы. Образование наклонного днища 10 гарантирует безусловное попадание отбитого полезного ископаемого в его нижнюю часть, т.е. к забою скважины.
Перед началом размыва в добычную камеру подают сжатый воздух и оттесняют воду от забоя, обеспечивая работу гидромонитора в «сухом» (относительно осушенном) забое. Размыв продуктивной формации 5 осуществляют в границах добычной камеры 11. Отбойку ведут снизу-вверх с периодическим спуском устройства для подземной гидродобычи полезных ископаемых 6 на забой скважины 1, где скапливается вся отбитая горная масса, которая через подъемный узел и пульповыдачную колонну 13, за счет избыточного давления в добычной камере 11 выдается на поверхность. Так как угол наклонного днища 10 превышает угол естественного откоса отбитой горной массы, вся размытая горная масса скапливается у забойной части добычной скважины 1 и, по мере очередного спуска устройства для подземной гидродобычи полезных ископаемых 6, самотеком, под действием силы тяжести, поступает в подъемный узел. Тем самым исключаются потери на почве добычной камеры 11.
Перед началом и в процессе размыва в полость камеры подают сжатый воздух и создают такое избыточное давление, при котором уровень жидкости находится выше магазина отбитой горной массы, но ниже выходного отверстия насадки гидромонитора. Так достигается работа в сухом забое и, одновременно, частичная дезинтеграция горной массы за счет размокания. Изменяя давления воздуха (но соблюдая указанные ограничения) можно регулировать производительность подъемного узла и пульповыдачной колонны. С увеличением давления производительность возрастает и исключается возможность перекрытия забоя разрушенной горной массой.
Размыв ведут слоями, мощность которых выбирают из условия их разрушения при падении на поверхность заполняющей днище массы, и определяют из соотношения
где h - мощность размываемого слоя, м;
Н - расстояние от размываемого слоя до поверхности заполняющей днище массы, м;
К - коэффициент, характеризующий прочность горной массы;
k - коэффициент, характеризующий поверхность заполняющего днище материала.
Коэффициенты определяют эмпирически.
Для закладки добычной камеры 11 во вспомогательные скважины 3 подают твердеющую смесь в режиме гидроразрыва. Каналы гидроразрыва, распространяясь от вспомогательных скважин 3, будут направлены в сторону выработанного пространства добычной камеры 11, т.к. после образования выработанного пространства добычной камеры 11 произойдет перераспределение напряжений, вызванных горным давлением, с уменьшением их значений по направлению к добычной камере 11. Через образованные каналы гидроразрыва твердеющая смесь поступает в добычную камеру 11 и заполняет ее. За время выполнения операции по закладке добычной камеры 11, из скважины 1 осуществляют демонтаж устройства для подземной гидродобычи полезных ископаемых 6.
Способ осуществляется устройством для подземной гидродобычи полезных ископаемых.
Устройство включает высоконапорный подающий став 12, пульповыдачную колонну 13, трубопровод сжатого воздуха 14, поворотный гидромонитор со стволом 15, насадкой 16 и коленом 17. Кроме того - шарнир 18, подпружиненный пружиной 19, раздвижной щуп 20, подвижно закрепленный в корпусе 21 и ограничитель поворота 22, закрепленный на оси 23. Щуп выполнен регулируемой длины (например, двух или трех секционным, с возможностью фиксирования секций относительно друг друга). На наружной поверхности ограничителя поворота выполнены ступени для изменения угла поворота гидромонитора.
Устройство работает следующим образом.
Устройство опускают в скважину 1, изолируют пакером призабойную часть скважины (на чертеже не показан), через трубопровод сжатого воздуха 14 нагнетают в зону размыва сжатый воздух, оттесняя воду и осушая забой. Затем подают в гидромонитор через подающий став 12 жидкость и приводят во вращение пульповыдачную колонну 13, трубопровод сжатого воздуха 14 и подающий став 12. Поток жидкости через шарнир 18 попадает в колено 17, затем в ствол 15 и насадку 16 и, преобразуясь в гидромониторную струю, осуществляет размыв горной породы. Поскольку продольная ось ствола 15 гидромонитора смещена относительно оси вращения шарнира 18 и образует плечо, то реактивная сила струи, вытекающая из насадки 16, образует крутящий момент, стремящийся развернуть ствол 15 гидромонитора в вертикальной плоскости. Поскольку ствол 15 гидромонитора выполнен из гибкого эластичного материала, при задевании его за стенки вырабатываемой камеры или падения на него кусков обрушающейся породы, он изгибается, что предотвращает его поломку. Выполнение ствола 15 и насадки 16 съемными, позволяет оперативно реагировать на изменение условий размыва, применять насадки с различными конфигурациями сопла, увеличивать или уменьшать, в зависимости от величины выработанного пространства, длину ствола и т.п.
Размещение подающего става 12 и трубопровода сжатого воздуха 14 в контакте между собой и стенкой пульповыдачной колонны 13 обеспечивает максимальное проходное сечение последней, что позволяет поднимать, при прочих равных условиях, куски наибольшего диаметра.
Для создания наклонного днища, его зачистки и изменения направления струи гидромонитора, устройство оборудовано щупом 20, расположенном в направляющем корпусе 21, и ограничителем поворота 22. Ограничитель поворота 22 закреплен на оси 23. С одной стороны ограничитель поворота 22 контактирует со щупом 20, а с другой с гидромонитором. Поверхность (наружная), по которой он контактирует со щупом 20, выполнена ступенчатой для возможности изменения фиксирования угла наклона, причем, ребра ступеней выполнены скругленными.
При опускании пульповыдачной колонны 13, щуп 20 упирается в дно скважины и перемещается в направляющем корпусе 21, пока пульповыдачная колонна 13 не опустится также на дно скважины (или будет остановлена на заданном расстоянии от него). При перемещении щуп 20 выходит из зацепления с ограничителем поворота 22. За счет реактивной силы, возникающей при истекании струи жидкости из насадки 16, гидромонитор поворачивается вокруг оси шарнира 18 и давит на ограничитель поворота 22, который также поворачивается вокруг оси 23 до упора в щуп 20. За счет того, что щуп 20 выполнен раздвижным, можно изменять угол, на который поворачивается гидромонитор.
При подъеме пульповыдачной колонны 13, под действием пружины 19, за счет того, что ребра ступеней выполнены скругленными, щуп 20 возвращается в исходное положение, поворачивает ограничитель поворота 22, а тот в свою очередь гидромонитор, ствол 15 которого принимает горизонтальное положение. Таким образом, осуществляется автоматическое изменение наклона гидромонитора от горизонтального, при размыве, до угла естественного откоса, при образовании днища и его зачистке, и обратно.
Применение данных способа и устройства при отработке, прежде всего, высокоценных руд, таких как алмазосодержащих кимберлитов и коренных месторождений золота, обеспечивает надежное извлечение полезного компонента из добычной камеры. В случае недостаточной устойчивости боковых пород камеры, предложенное техническое решение, позволяет оперативно прекратить размыв с одновременной закладкой отработанной части камеры, восстановлением устойчивого состояния стенок камеры и продолжением отработки верхней части камеры без выполнения спускоподъемных операций добычного снаряда и сохранения его работоспособности на весь период отработки камеры. Также применение данных способа и устройства отвечает требованиям охраны окружающей среды, особенно в условиях ведения работ в неустойчивых вмещающих породах.