Способ ориентированного разрыва горных пород
METHOD OF ORIENTED BREAKDOWN OF ROCK FORMATION

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для формирования в породных массивах систем взаимосвязанных сплошных трещин нужных размеров и форм, обеспечивающих создание в породном массиве непротекающих емкостей, повышающих эффективность скважинно-щелевых технологий добычи полезных ископаемых, например, выщелачивания меди или урана.
Известен способ ориентированного разрыва горных пород по авторскому свидетельству СССР №1535992, кл. Е21В 43/26, Е21С 41/18, опубл. в БИ №2, 1990 г. Он включает бурение инициирующих скважин в направлении распространения трещин, создание в скважинах инициирующих полостей, герметизацию этих полостей и формирование трещины гидроразрыва пород нагнетанием в них жидкости. Бурят дополнительные скважины в пределах распространения проектируемой трещины гидроразрыва на расстоянии от предыдущей скважины, определяемом из установленной зависимости. Дополнительные скважины герметизируют до проектируемой трещины гидроразрыва и нагнетают в них жидкость под давлением ниже давления гидроразрыва. Затем после образования трещины гидроразрыва в инициирующей скважине ее прохождение в дополнительной скважине фиксируют по изменению давления жидкости в этой скважине, после чего формируют трещину гидроразрыва в дополнительной скважине увеличением давления жидкости в ней до давления гидроразрыва.
Общими признаками аналога с предлагаемым решением являются: бурение скважин; разрыв горной породы флюидом; формирование трещин.
Способ не предусматривает создания в породном массиве непротекающих емкостей, способных удерживать в заданной области растворители и растворы, используемые, например, для выщелачивания меди или урана. Его использование в скважинно-щелевых технологиях добычи полезных ископаемых выщелачиванием приводит к большому расходу растворителей за счет их неконтролируемой фильтрации в породный массив и поэтому неэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ ориентированного гидроразрыва горных пород по патенту РФ №2441149, кл. Е21В 43/16, опубл. 27.01.2012 г., включающий бурение инициирующих скважин, создание в них инициирующих полостей, герметизацию этих полостей и формирование трещин гидроразрыва горных пород нагнетанием в них жидкости. Вначале формируют первую трещину, сплошную горизонтальную, а затем под ней формируют вторую трещину, сплошную горизонтальную, которую затем развивают до выхода ее поверхностей на нижнюю поверхность первой трещины. После этого вторую трещину заполняют гидроизоляционным материалом.
Общими признаками прототипа с заявляемым решением являются: бурение скважин; формирование трещин разрывом горных пород флюидом; заполнение трещин гидроизоляционным материалом.
Этот способ основан на известной из механики горных пород особенности, заключающейся в стремлении фронта трещины развиваться в направлении максимального значения сжимающего поля напряжений. Поэтому размеры и форма формируемой с его использованием трещины существенно зависят не только от искусственного поля напряжений, обусловленного предварительно созданной трещиной с поданным в нее флюидом под давлением, но и от естественного напряженно-деформированного состояния (НДС) породного массива, а также свойств горных пород. Создаваемые изолирующие прослойки в виде заполненных гидроизоляционным материалом трещин имеют эллиптическую поверхность, что усложняет их размещение в породном массиве таким образом, чтобы равномерно или селективно обрабатывать все участки залежи в зависимости от процентного содержания в них полезного ископаемого. Придавать же указанным прослойкам заданную форму (кроме эллиптической формы) не представляется возможным. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность способа.
Решаемая проблема заключается в повышении эффективности ориентированного разрыва горных пород за счет уменьшения влияния свойств горных пород и НДС породного массива на создание внутри него непротекающих емкостей заданных размеров и форм.
Проблема решается тем, что в способе ориентированного разрыва горных пород, включающем бурение скважин, формирование трещин разрывом горных пород флюидом, заполнение трещин гидроизоляционным материалом, согласно техническому решению трещины формируют между скважинами, используемыми в качестве направляющих фронтов и ограничителей границ трещин, при этом трещины формируют таким образом, что они образуют в породном массиве непротекающие емкости.
Способ основан на использовании сочетания выявленных из результатов исследований следующих особенностей разрывов горных пород различными флюидами через скважины, пройденные в породных массивах:
1. Известно, что трещина в сплошной однородной среде развивается в плоскости растягивающих напряжений. При разрыве горной породы флюидом плоскость растягивающих напряжений создается самой трещиной за счет давления на ее поверхности нагнетаемого флюида. По линии (границе) смыкания поверхностей трещины концентрируются напряжения. Значения этих напряжения определяются радиусом кривизны сопряжения поверхностей трещины. С ростом указанного радиуса значения напряжений на границе трещины снижаются. Эту особенность используют на практике для прекращения роста трещины в плоских изделиях образованием перед вершиной трещины круглого отверстия. Однако, в отличие от отверстия в плоском изделии (пластине), в предлагаемом способе скважину используют не для прекращения роста трещины, а для продолжения ее развития в заданном направлении. Например, если между двумя параллельными скважинами образовать трещину и нагнетать в нее флюид под давлением, то трещина будет развиваться между скважинами. Часть границы трещины, которая способна перемещаться или перемещается, принято называть фронтом трещины. Таким образом, в приведенном примере параллельные скважины являются направляющими фронта трещины. При этом указанные скважины являются не только направляющими фронта трещины, но и ограничивают ее развитие за пределами траекторий их прохождения. Обусловлено это тем, что поверхности скважины для трещины представляют собой свободные поверхности, далее которых трещине развиваться некуда. В результате, в отличие от прототипа, характер развития формируемой трещины определяется траекториями скважин и сравнительно слабо зависит от НДС породного массива и свойств горных пород. Следует отметить, что трещину, используя скважины в качестве направляющих ее фронта, можно развивать в пределах скважин практически неограниченно. При этом скважины могут быть и не параллельными. Главным условием возможности использования скважин в качестве направляющих фронта трещины является их расположение в одной плоскости.
2. Из одной скважины при соблюдении определенных известных условий ее герметизации можно формировать несколько трещин (например, две) с различной ориентацией. Поэтому, если уже имеется одна трещина, сформированная между первой и второй скважинами указанным выше способом, то после прохождения третьей скважины в плоскости расположения одной из первых двух скважин можно сформировать еще одну трещину аналогичным образом, например, если пробурить третью скважину таким образом, что она окажется в одной плоскости со второй скважиной. Тогда между третьей и второй скважинами можно сформировать вторую трещину (указанным способом). В таком случае первая и вторая трещины окажутся сопряженными (имеющими общую границу) по линии расположения второй скважины. Размеры и формы формируемых трещин в основном оцениваются траекториями пройденных скважин и количеством поданного в каждую из трещин флюида. Создавая трещины нужных размеров и формы и смыкая их по заданным линиям (скважинам), можно образовывать различные пространственные фигуры, поверхностями которых будут сформированные трещины.
3. Чтобы создать непротекающие для растворителей и растворов емкости, сформированные трещины, образующие пространственные фигуры, заполняют гидроизоляционным материалом, например, таким, какой используют в прототипе.
Сочетанием всех признаков технического решения достигается повышение эффективности способа, принятого в качестве прототипа, за счет снижения влияния свойств горных пород и НДС породного массива на создание внутри него непротекающих емкостей заданных размеров и форм.
Целесообразно в качестве флюида использовать неньютоновскую жидкость, например, пластичное вещество типа пластилина. В условиях высокой проницаемости горных пород, обусловленной наличием значительного числа микротрещин, флюид с низкой вязкостью, например, жидкость, может проникать в естественные трещины и развивать их. В результате вместо сплошного разрыва могут возникать системы трещин, образующих извилистые каналы, по которым флюид с низкой вязкостью будет обтекать незатронутые участки породного массива, из-за чего осуществлять полную гидроизоляцию заданной области не представляется возможным. Горную породу с большим содержанием микротрещин предложено разрывать пластичным веществом типа пластилина. Пластичное вещество проникает в формируемую трещину с большим сопротивлением, из-за чего максимально раздвигает ее поверхности и закупоривает микротрещины. Кроме этого, множество пластичных веществ относится к гидроизоляционным материалам, что позволяет совмещать операции по формированию трещин и гидроизоляции участков породного массива. Все это повышает эффективность способа.
Целесообразно в качестве гидроизоляционного материала использовать вещество, которое в трещинах отвердевает и становится эластичным. Это в случае сдвижения участков породного массива, обусловленного технологией ведения горных работ, позволяет деформироваться стенкам созданных емкостей без образования в них отверстий, через которые могут утекать растворы, что повышает эффективность способа из-за снижения их потерь.
Целесообразно использовать флюид, который проявляет свойство пластичного вещества во время разрыва горной породы, а после проникновения в трещины отвердевает и становится эластичным. Это позволяет совмещать операции по формированию трещин и подачу в них гидроизоляционного материала заданного свойства, что упрощает реализацию способа и, следовательно, повышает его эффективность.
Целесообразно разрыв горной породы осуществлять вытеснением флюида из скважин в формируемые трещины. Это обеспечивает подачу пластичного вещества в формируемые трещины без использования высоконапорных установок и снижение затрат энергии на продавливание его через сравнительно длинные трубопроводы, что повышает эффективность способа путем снижения себестоимости работ по формированию трещин.
Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации способа ориентированного разрыва горных пород и чертежами.
На фиг. 1 показана схема формирования трещины между двумя скважинами; на фиг. 2 - схема формирования четырех сопряженных трещин, образующих пространственную фигуру с прямоугольным поперечным сечением; на фиг. 3 - схема создания непротекающей емкости.
Способ реализуют следующим образом.
В породном массиве (фиг. 1) бурят скважины 1 и 2. Формируют трещину 3 разрывом горных пород флюидом и заполняют ее гидроизоляционным материалом 4 (далее - материал 4). Трещину 3 формируют между скважинами 1 и 2, используемыми в качестве направляющих фронтов и ограничителей границ трещины 3. Это возможно благодаря тому, что стенки скважин 1 и 2 для трещины 3 являются свободными поверхностями, далее которых трещине 3 развиваться некуда. Затем указанным выше путем формируют множество трещин таким образом, что они образуют в породном массиве непротекающую емкость, например, следующей последовательностью действий. Проходят третью скважину 5 (фиг. 2) таким образом, что она оказывается в одной плоскости со скважиной 1. Между скважинами 1 и 5 создают вторую трещину 6. После этого проходят еще одну скважину 7 таким образом, что она имеет общие со скважинами 5 и 2 плоскости. Далее создают еще две трещины 8 и 9 между скважинами соответственно 2 и 7, 5 и 7. Для окончательного образования в породном массиве непротекающей емкости формируют еще одну трещину 10 (фиг. 3), которую сопрягают с трещинами 3, 6, 8, 9 и, как правило, располагают в горизонтальной плоскости, например, следующим образом. Между трещинами 3, 6, 8, 9 проходят скважину 11, в забойной зоне которой известным способом формируют поперечную трещину 10 до ее сопряжения с трещинами 3, 6, 8 и 9 и заполняют материалом 4. Затем выше трещины 10 создают трещину 12, которую используют в качестве коллектора для облегчения начала извлечения из области выщелачивания через скважину 11 растворов меди или урана. Подачу растворителей в область выщелачивания осуществляют через скважину 13. В качестве флюида можно использовать неньютоновскую жидкость, например, пластичное вещество типа пластилина. В качестве материала 4 можно использовать вещество, которое в трещинах отвердевает и становится эластичным, например, смесь эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора, Можно использовать флюид, который проявляет свойство пластичного вещества во время разрыва горной породы, а после проникновения в трещины отвердевает и становится эластичным, например, смесь эпоксидной шпаклевки, отвердителя и пластификатора. Разрыв горной породы можно осуществлять вытеснением флюида из скважин 1, 2, 5, 7 в формируемые трещины 3, 6, 8, 9. Для этого скважины, например, 1 и 2 (фиг. 1) заполняют материалом 4. Затем в скважины 1 и 2 подают цилиндры 14, которые используют в качестве поршней, и наносят по ним удары, например, падающими штангами 15. Отметим, что начальные трещины с требуемой ориентацией, которые затем развивают с использованием предлагаемого технического решения, создают известными способами, например, представленными в прототипе. Стрелками на фиг. 3 показаны направления течения растворителей (скважина 13) и растворов (скважина 11).
На фиг. 1, 3 для облегчения пояснения сути идеи создания непротекающих емкостей внутри породных массивов представлены схемы простейших вариантов реализации предлагаемого способа с максимальным использованием известных средств разрыва горных пород. Вместе с этим в большинстве случаев предполагается использовать различное сочетание множества вертикальных и горизонтальных скважин со сформированными между ними трещинами, заполненными материалом 4. Для скважин с произвольной ориентацией предполагается материал 4 вытеснять в формируемые трещины известными погружными ударными машинами, например, используемыми для ударно-поворотного бурения скважин с отключенными механизмами вращения рабочих органов. Следует отметить, что зону проводимого разрыва горной породы предполагается ограничивать не только скважинами 1, 2, 5, 7, но и формируемыми трещинами 3, 6, 8, 9.
Выбор материала 4 следует осуществлять с учетом экономической целесообразности его использования. Во многих случаях формирование трещин с одновременным их заполнением осуществляют доступными и сравнительно дешевыми веществами, обладающими свойством герметика, например, битумом. Подобные вещества забивают имеющиеся на контактирующей с ними поверхности микротрещины и поры, образуя непроницаемую податливую прослойку. Отметим, что пластичность (вязкость) твердого битума можно изменять в больших пределах, например, добавлением в него отработанных трансмиссионных масел.
Предлагаемый способ повышает эффективность существующих скважинно-щелевых технологий добычи металлов, а также способствует развитию нетрадиционных принципов разработки полезных ископаемых без строительства шахт и рудников.