СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
HYDRAULIC BOREHOLE MINING OF HARD MINERALS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при отработке месторождений полезных ископаемых методом скважинной гидродобычи. Применение данного технического решения целесообразно для отработки месторождений, представленных рудными телами пластовой, линзообразной и т.п. формы, в том числе месторождениями, в которых продуктивный пласт выделен по содержанию полезного компонента. К таким месторождениям относятся, например, алмазоносные кимберлитовые трубки Архангельской области.
Известен способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающий вскрытие залежи центральной и периферийными технологическими скважинами, установку в них оборудования и отработку в несколько этапов слоями снизу вверх несмежных камер, начиная с периферийных, с образованием перед отработкой очередного слоя контурной щели на всю мощность слоя, подсечного пространства гидроразмывом у почвы образуемой камеры и параллельной ему искусственной потолочины из твердеющего материала, с наклоном от периферии к центру, магазинирование обрушенной горной массы и закладку выработанного пространства твердеющим материалом, отработку и закладку оставшихся периферийных камер и, в последнюю очередь, отработку и закладку центральной камеры (см. патент РФ №21251601, кл. Е21С 45/00, 1988 г.).
Данный способ позволяет производить селективную выемку полезного ископаемого, представленного отдельными гнездами, линзами, пропластками и т.д. В частности кимберлитовых трубок, в которых распределение алмазов крайне неравномерно.
Однако данному способу присущ ряд недостатков. В случае, когда твердость вмещающих пород достаточно высока, гидроразмыв массива будет требовать значительных энергозатрат и расхода жидкости, и может вообще оказаться неэффективным. В этом случае не исключены значительные потери кристаллосырья. Это связано с тем, что часть кристаллов может оставаться в неразрушенных «негабаритах».
Известно устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающее подвижные относительно друг друга, внешнюю и внутреннюю нагнетательные колонны труб, центральную пульповыдачную колонну труб, установленную в полости внутренней нагнетательной колонны труб, и вспомогательную трубу с гидромонитором (см. а.с. №1700249, кл. Е21С 45/00, 1989).
Данное устройство наиболее близко по назначению к заявленному, но оно не может осуществлять гидроразрыв массива горных пород, т.е. не может осуществлять предложенный способ.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, - повышение эффективности отработки месторождений полезных ископаемых.
Технический результат изобретения - обеспечение селективности добычи, уменьшение потерь полезного ископаемого, снижение затрат на добычу и транспортировку, и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду.
Технический результат достигается тем, что в способе скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающем вскрытие залежи центральной и периферийными технологическими скважинами, установку в них оборудования и отработку в несколько этапов слоями снизу вверх несмежных камер, начиная с периферийных, с образованием перед отработкой очередного слоя контурной щели на всю мощность слоя, подсечного пространства у почвы образуемой камеры и параллельной ему искусственной потолочины из твердеющего материала, с наклоном от периферии к центру, магазинирования обрушенной горной массы и закладку выработанного пространства твердеющим материалом, отработку и закладку центральной камеры, при отработке каждой камеры, после создания искусственной потолочины, по высоте технологических скважин создают несколько гидроврубов, после образования подсечного пространства из нижнего гидровруба производят гидроразрыв пород и нагнетают в полученную трещину жидкость до обрушения горной массы в подсечное пространство, обрушенную горную массу частично заводняют за счет жидкости гидроразрыва и из гидромониторов, которыми производят размыв горной массы, по мере дезинтеграции последней производят выдачу пульпы на поверхность, при понижении уровня магазина ниже проектной отметки, повторяют операции по гидроразрыву из гидровруба ближайшего к выработанному пространству, магазинированию, размыву и выдаче пульпы, далее операции повторяются до достижения выработанным пространством искусственной потолочины, после чего производят полный размыв замагазинированной горной массы, выдачу пульпы и закладку выработанного пространства.
В процессе бурения выделяют участки, содержащие полезный компонент и отрабатывают только камеры, лежащие в этих участках.
В некоторых случаях, после гидроразрыва, в массив подлежащий обрушению подают жидкость под давлением, необходимым для насыщения ею горной массы, после чего производят обрушение, повышая давление жидкости.
Кроме того, размыв ведут из двух гидромониторов, один из которых расположен у почвы камеры, а другой над уровнем заводняющей замагазинированную горную массу жидкости.
Целесообразно сбойку и подсечное пространство образовывать гидроразрывом и дальнейшим гидромониторным размывом из расположенных рядом добычных скважин.
Для повышения устойчивости стенок отрабатываемого участка жидкость в магазине поддерживают не выше уровня дна контурных скважин.
Для улучшения дезинтеграции горной массы в жидкость добавляют поверхностно-активные вещества.
При значительной площади отрабатываемого участка между периферийными и центральной технологическими скважинами бурят промежуточные технологические скважины, отработку камер из этих скважин ведут аналогично отработке камер из периферийных скважин.
Для достижения технического результата устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающее подвижные относительно друг друга внешнюю и внутреннюю нагнетательные колонны труб, центральную пульповыдачную колонну труб, установленную в полости внутренней нагнетательной колонны труб, и вспомогательную трубу с гидромонитором, снабжено дополнительным гидромонитором, установленным на внутренней нагнетательной колонне труб, и насадкой гидроразрыва, размещенной на внешней нагнетательной колонне труб, при этом вспомогательная труба установлена с возможностью фиксированного перемещения относительно внутренней нагнетательной колонны труб, а насадка гидроразрыва в исходном положении перекрывает дополнительный гидромонитор и выполнен в виде корпуса с полостью и окнами, вокруг которых установлены гидравлические камеры, наружные стенки которых выполнены эластичными, полость корпуса сообщена с полостью гидравлических камер каналами, и в гидравлических камерах установлены подпружиненные поршни, штоки которых связаны со створками заслонок.
В указанную совокупность включены все существенные признаки, необходимые и достаточные для достижения технического результата.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид отрабатываемого участка в разрезе;
на фиг.2 - отработка камеры из периферийной скважины;
на фиг.3 - устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых;
на фиг.4 - насадка гидроразрыва в начальном положении.
Отработка месторождения осуществляется следующим образом. Производят вскрытие участка 1 центральной 2, периферийными 3 и, при большой ширине отрабатываемого участка, промежуточными 4 технологическими скважинами. По контуру участка бурят контурные сближенные скважины 5.
Как правило, эти скважины бурят уменьшенного, по сравнению с технологическими, диаметра.
Производят подготовку нижнего слоя к отработке. Для этого на высоту слоя создают контурную щель 6 любым известным способом, приемную камеру 7 в центральной 2 скважине, наклонную искусственную потолочину из твердеющего материала 8 и, параллельно ей, подсечное пространство 9.
Приемную камеру создают гидромонитором 10 устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых 11, которое спускают на колонне труб 12 центральную скважину 2. Затем на колонне труб 13 в периферийную скважину 3 также опускают устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых 14.
За счет совместной работы устройств для скважинной гидродобычи 11 и 14 производят образование сбоек щели для создания искусственной потолочины 8 и подсечного пространства 9.
Отработку начинают с периферийных камер.
После создания искусственной потолочины 8 в камере 15 по высоте технологической скважины 3 создают несколько гидроврубов 16. После образования подсечного пространства 9 из нижнего вруба производят гидроразрыв пород и нагнетают в полученную трещину гидроразрыва жидкость до обрушения горной массы массива 23 в подсечное пространство 9. Обрушенную горную массу магазинируют и частично заводняют за счет жидкости гидроразрыва.
После этого включают гидромониторы и производят размыв, а также частичное заводнение замагазинированной горной массы (далее магазина 17).
Под действием дополнительного гидромонитора 18, устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых 14, происходит предварительный размыв магазина 17 над уровнем жидкости 19 и подпитка заводнения магазина. Под действием воды, заполняющей часть магазина 17, происходит размокание кусков породы, а гидромонитор 20 устройства для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых 14, работающий в условиях затопленного забоя, окончательно переводит их в пульпообразное состояние и при направлении его в сторону сбойки с центральной скважиной 2 способствует выпуску пульпы. По мере дезинтеграции горной массы производят выдачу пульпы на поверхность. При понижении уровня магазина 17 ниже проектной отметки повторяют операции по гидроразрыву из вруба 16, ближайшего к выработанному пространству 22, магазинированию, размыву и выдаче пульпы. Эти операции повторяются до достижения выработанным пространством 22 искусственной потолочины 8.
После этого производят полный размыв магазина 17 и выдачу пульпы на поверхность. Затем закладывают выработанное пространство 22 камеры 15 и переходят к отработке следующей несмежной периферийной камеры. Затем, если бурились промежуточные технологические скважины 4, аналогично производят отработку камер из них. В последнюю очередь производят отработку центральной камеры из центральной скважины 2 устройством для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых 11.
По мере отработки каждая камера закладывается твердеющей закладкой. Возможна одновременная отработка нескольких несмежных камер из однотипных технологических скважин. Например, одновременно могут отрабатываться камеры из периферийных скважин 3 и 24.
Для улучшения дезинтеграции горной массы в массив, подлежащий обрушению, после образования трещины гидроразрыва, через нее подают жидкость под давлением, необходимым для насыщения горной массы, но недостаточным для обрушения. Эта операция может производится одновременно с магазинированием, размывом и частичной выдачей пульпы, получаемой после обрушения предыдущего массива.
После отработки слоя переходят к отработке вышележащего.
Если полезное ископаемое представлено гнездами, линзами, пропластками и т.п., то в процессе бурения выделяют участки, содержащие полезный компонент, например содержащий алмазы, и отрабатывают слои и/или камеры, лежащие только в этих участках.
Для облегчения образования подсечного пространства 9 и для создания искусственной потолочины 8 последовательно между центральной 2 и промежуточными, промежуточными и периферийными 3, 24 и т.д. проходят сбойки. Сбойки можно создавать как за счет только гидроразмыва из указанных смежных скважин, так и в две стадии - первая стадия гидроразрыв, вторая - гидромониторный размыв из скважин, между которыми проходится сбойка. Вторая технология целесообразней, т.к. после гидроразрыва через полученную трещину будет выдаваться пульпа, получаемая при работе гидромонитора в промежуточной и/или периферийной добычной скважине 3.
Для обеспечения дезинтеграции обрушенной горной массы и сохранения стенок участка от обрушения, целесообразно жидкость в магазине поддерживать не выше уровня дна контурных скважин.
Для интенсификации процесса дезинтеграции используют поверхностно-активные вещества, которые добавляют в жидкость.
Устройство для скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых включает подвижные относительно друг друга внешнюю 25 и внутреннюю 26, с дополнительным гидромонитором 27, нагнетательные колонны труб, центральную пульповыдачную колонну труб 28, установленную в полости внутренней нагнетательной колонны труб 26, и вспомогательную трубу 29 с гидромонитором 30. Вспомогательная труба 29 установлена с возможностью фиксированного перемещения относительно внутренней нагнетательной колонны труб 26 и имеет общую с нею полость.
Центральная пульповыдачная колонна труб 28 также может быть подвижной относительно внутренней нагнетательной колонны труб 26. На конце внешней нагнетательной колонны труб 25 размещена насадка гидроразрыва 31 в исходном положении перекрывающий гидромонитор 30. Насадка гидроразрыва 31 выполнена в виде корпуса с полостью 32. В корпусе выполнены окна 33, вокруг которых установлены гидравлические камеры 34 с эластичными наружными стенками 35. Полость 32 корпуса сообщена с полостью гидравлических камер 34 каналами 36, а в полостях гидравлических камер размещены подпружиненные пружинами 37 поршни 38, штоки 39 которых связаны со створками заслонок 40.
Устройство работает следующим образом. На поверхности, перед погружением устройства в скважину, вспомогательную трубу 29 перемещают относительно внутренней нагнетательной колонны 26 и фиксируют в положении, при котором гидромонитор 30 находится на заданном расстоянии от дополнительного гидромонитора 27 и ориентирован относительно него. Расстояние между гидромониторами выбирается из условия работы гидромонитора 30 у почвы камеры, а дополнительного гидромонитора 27 - над уровнем заводняющей магазин 17 жидкости 19. Затем в скважину опускают колонны труб, при этом насадка гидроразрыва 31 перекрывает дополнительный гидромонитор 27.
При подаче жидкости во внутреннюю колонну нагнетательных труб 26, она поступает в гидромонитор 30 и производит размыв окружающих пород. Поскольку дополнительный гидромонитор 27 перекрыт насадкой гидроразрыва 31, вода не истекает из него и дополнительный гидромонитор 27 не работает.
В таком режиме устройство работает при создании сбоек подсечного пространства, полости для создания искусственной потолочины 8 и врубов 16, т.е. начальных полостей. Создание указанных полостей может осуществляться в несколько этапов, для чего устройство перемещают по высоте скважины. Перемещение может осуществляться как снизу вверх, так и сверху вниз, что более целесообразно, т.к. после создания подсечного пространства гидромонитор 30 остается у почвы камеры для использования при ее отработке.
После создания подсечного пространства насадку гидроразрыва 31, размещенную на внешней нагнетательной колонне труб 25, устанавливают против первого снизу вруба. Затем по внешней нагнетательной колонне труб 25 подают в насадку гидроразрыва 31 жидкость. Жидкость поступает в полость корпуса 32, из нее по каналам 36 жидкость поступает в гидравлические камеры 34, растягивает их эластичные наружные стенки 35 и прижимает их к стенкам скважины, изолируя ее часть между указанными камерами.
Пружины 37 рассчитаны так, что поршни 38 начинают двигаться после изоляции части скважины и повышении давления в гидравлических камерах 34. При движении поршни 38 увлекают за собой штоки 39, которые в свою очередь перемещают створки 41 и 42 заслонок 40 и открывают окна 33. Жидкость из полости корпуса 32 поступает в окна 33, далее в изолированную часть скважины и вруб. Жидкость может подаваться как в режиме гидроразрыва (при этом из вруба 23 происходит развитие трещины 43), так и в режиме водонасыщения массива.
При открытии окон 33 давление в гидравлических камерах 34 может несколько упасть, но при этом пружины 27 возвратят на некоторое расстояние штоки 39 и частично перекроют окна 36, подача жидкости в изолированную часть скважины уменьшится, а давление в гидравлических камерах 34 возрастет. Таким образом, осуществляется саморегулирование соотношений давления в гидравлических камерах 34 и изолированной части скважины, и при любых условиях часть скважины будет надежно изолирована за счет прижатия эластичных наружных стенок 35 гидравлических камер 34 к стенкам скважины.
После обрушения массива 23 перемещают внутреннюю колонну нагнетательных труб 26 до освобождения сопла дополнительного гидромонитора 27 из насадки гидроразрыва 31. Жидкость начинает поступать в оба гидромонитора 30 и 27, производя размыв магазина 17, первый в условиях затопленного забоя, второй - осушенного.
Насадка гидроразрыва 31 может использоваться и только как пакер. Например, при создании трещины гидроразрыва нагнетанием воды через гидромонитор 30 во вруб (вруб может быть наклонным) при создании подсечного пространства, забойная часть скважины изолируется подачей жидкости в насадку гидроразрыва 31 под давлением, обеспечивающим прижатие эластичных наружных стенок 35 гидравлических камер 34 к стенкам скважины и недостаточным, для гидроразрыва из окон 33.
Применение данного технического решения позволит значительно сократить затраты на разработку. Более того, в связи с тем, что способ обеспечивает селективную выемку отдельных гнезд и пропластков и оставлением в массиве без разрушения вмещающих гнезда пород, которые при известных технологиях также разрушались и доставлялись на поверхность, становится рентабельной отработка месторождений с низким содержанием, но компактным сосредоточением полезного компонента. К таким месторождениям относятся многие алмазоносные кимберлитовые трубки Архангельской области, в которых гнезда с высоким содержанием алмазов находятся в массиве «пустого» кимберлита.
Кроме того, значительно сократится вредное воздействие на окружающую среду, поскольку, селективнаый способ требует значительно меньшего расхода воды, на поверхность не будет подниматься значительное количество горной породы, что влечет за собой сокращение площадей отстойников и хвостохранилищ.