СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГОЗАЛЕГАЮЩИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
METHOD FOR COMBINED DEVELOPMENT OF GENTLY PITCHING COAL BEDS

Заявляемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пластов полезных ископаемых, главным образом при освоении угольных месторождений, в том числе с нестандартными условиями залегания угольных пластов, а также находящихся на завершающей стадии открытой разработки и на уже отработанных карьерных полях.
Известен способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта скважиной, оборудование скважины обсадной трубой, монтаж в нее подвесной колонны, состоящей из пульпоподъемной трубы, внутри которой расположены водоподающая и воздухоподающая трубы, подачу воды и сжатого воздуха в скважину и подъем гидросмеси на поверхность по подвесной колонне труб (Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. М.: МГРА, 1995, с. 85).
Недостатками данного способа и устройства для его осуществления являются высокая сложность и громоздкость конструкции подвесной колонны, состоящей из трех элементов - водоподающей, воздухоподающей и пульпоподъемной труб, а также низкая пропускная способность скважины до 60%, влияющая на снижение производительности гидродобычи твердого полезного ископаемого в целом.
Также известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления путем вскрытия продуктивного пласта добычной скважиной, установки в ней обсадной колонны труб, спуска в нее соосных подвесных колонн труб с гидромониторной насадкой и всасывающим наконечником, подачи в скважину воды и сжатого воздуха, размыва гидродобычной камеры в интервале продуктивного пласта и забора образующейся гидросмеси через всасывающий наконечник, в котором внутри размещена форсунка (см. патент РФ №2181434, МПК Е21С 45/00 от 18.03.1999 г.).
Недостатками данного способа и устройства является ограничение по размеру твердой фракции в гидросмеси (от 1 до 10 мм), что при высокой степени лещадности образуемых кусков полезных ископаемых может приводить к застреванию их в рабочем пространстве, ограниченном обсадной трубой и подвесной колонной трубы с всасывающим наконечником, и, как следствие, прекращению движения пульпы или снижению производительности. Кроме того, использование данного устройства требует установки обсадной и колонных труб, что значительно удорожает стоимость технологии.
Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления путем проходки скважины до продуктивного пласта, обсадки ствола скважины, разрушения продуктивного пласта на месте его залегания и откачки гидросмеси на поверхность при помощи добычного снаряда и вспомогательного оборудования с последующим перемещением добычного оборудования, по профилю, для бурения следующей скважины.
Устройство для реализации данного способа включает основание в виде подвижных саней-платформы, две мачты, одна из которых оборудована для бурения и обсадки, а вторая - для добычи полезных ископаемых и извлечения обсадки, добычной снаряд, пульпоподъемную колонну добычного снаряда, состоящую из подвижной трубы меньшего диаметра, укрепленной на колонне водоподающей и воздухоподающей труб, и неподвижной колонны - обсадной трубы (см. патент РФ №2158829, МПК Е21С 45/00, Е21В 43/29 от 02.08.1999 г.).
Недостатками данного способа и устройства является отсутствие параметров для реализации технологического процесса, сложность, взаимозависимость и громоздкость элементов всей конструкции, базирующейся на санях-платформе, что значительно удорожает и снижает производительность добычи полезного ископаемого, кроме того, данная технология не позволяет проводить бурение пологозалегающих пластов полезных ископаемых, а также вести добычу полезного ископаемого по всей мощности продуктивного пласта в процессе бурения скважины.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ разработки полезных ископаемых из бортов карьеров, траншей или иных выработок путем открытой разработки и выемки полезного ископаемого выемочными камерами с оставлением между ними предохранительных целиков и последующей закладкой камер, реализуемый с использованием комплекса открыто-подземной разработки (см. патент РФ №2247241, МПК Е21С 41/00 от 20.06.2003 г.).
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает возможности отработки пологозалегающих пластов в карьере на высоту более 4,5 метров, что ограничивает применение данного способа для открытой разработки пластов и переходу от открытой и открыто-подземной разработки пластов к добыче полезных ископаемых подземным способом. Это приводит к значительным экономическим затратам, а также потерям полезного ископаемого, что все в целом значительно снижает экономическую эффективность освоения месторождения.
Техническим результатом изобретения является повышение полноты добычи угля при отработке пологозалегающего пласта мощностью более 5 м или пластов, расположенных выше 5-метровой отметки от основания площадки, а также повышение энергоэффективности и безопасности при ведении горных работ путем применения открытого способа в сочетании с комбинированием комплекса открыто-подземной разработки и бурового гидродинамического устройства для проведения опережающей выемки угля и доработки угольных пластов до лицензионных границ без выемки вскрышных пород.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ комбинированной разработки пологозалегающих угольных пластов включает выполнение следующих этапов: этап разработки угольных пластов на высоту до 5 м, на котором открытыми горными работами проводят подготовку угольного пласта и площадки; на выровненную площадку устанавливают комплекс открыто-подземной разработки; комплексом открыто-подземной разработки по восходящей траектории производят выемку угля выемочными камерами шириной 4 м и высотой 4.5 м, протяженностью до 300 м. Причем угол наклона камер соответствует углу падения пласта и может изменяться в диапазоне от 0 до 25° к горизонтали; между выемочными камерами оставляют барьерный целик шириной 5 м; этап разработки угольных пластов на высоту более 5 м, на котором над выемочными камерами осуществляют бурение скважин диаметром 200-250 мм, протяженностью до 300 м. Причем расстояние от оси скважин до поверхности кровли выемочных камер составляет от 0,5 до 2 м; на всю протяженность буровой скважины вводят буровой гидродинамический инструмент, выполненный в виде телескопической штанги с рукавом высокого давления; для разбуривания угля по рукаву высокого давления производят подачу воды в роторную головку; при помощи телескопической штанги с рукавом высокого давления начинают возвратное движение бурового гидродинамического инструмента к устью буровой скважины; уголь, накопленный в основании выемочной камеры, выдается на дневную поверхность при помощи комплекса открыто-подземной разработки. Причем при соотношении угля и жидкой фазы, равной 1:3 или выше, выемку угля из выемочной камеры производят устройством гидровыдачи угля, установленного в приустьевой части выемочной камеры.
Это достигается путем проведения следующих этапов: этапа разработки угольных пластов на высоту до 5 м и этапа разработки угольных пластов на высоту более 5 м.
На этапе разработки угольных пластов на высоту до 5 м открытыми горными работами проводят подготовку угольного пласта и площадки. Затем на выровненную площадку устанавливают комплекс открыто-подземной разработки, которым от основания пласта по восходящей траектории производят выемку угля выемочными камерами шириной 4 м и высотой 4.5 м, протяженностью до 300 м. При этом угол наклона камер соответствует углу падения пласта и может изменяться в диапазоне от 0 до 25° к горизонтали. Между выемочными камерами оставляют барьерный целик шириной 5 м, выполняющий барьерную и предохранительную функции.
На следующем этапе, включающем разработку угольных пластов на высоту более 5 м, над выемочными камерами осуществляют бурение скважин диаметром 200-250 мм, протяженностью до 300 м. Расстояние от оси скважин до поверхности кровли выемочных камер составляет от 0,5 до 2 м. Затем на всю протяженность буровой скважины вводят буровой гидродинамический инструмент, выполненный в виде телескопической штанги с рукавом высокого давления. При подаче воды в роторную головку по рукаву высокого давления происходит разбуривание угля за счет формирования водяных струй с частотой вращения более 1000 об/мин.
При помощи телескопической штанги с рукавом высокого давления начинают возвратное движение бурового гидродинамического инструмента к устью буровой скважины. Разбуренный уголь, накопленный в основании выемочной камеры, выдается на дневную поверхность при помощи комплекса открыто-подземной разработки. Причем при соотношении угля и жидкой фазы, равной 1:3 или выше, выемку угля из выемочной камеры производят устройством гидровыдачи угля, установленного в приустьевой части выемочной камеры.
На фиг. 1 изображена схема технологии разработки пологозалегающих угольных пластов с применением комплекса открыто-подземной разработки; на фиг. 2 - схема технологии разбуривания угля с применением бурового гидродинамического устройства, выносной элемент А; на фиг 3 - схема выемки угля с применением комплекса открыто-подземной разработки; на фиг. 4 - схема расположения выемочных камер и скважин для выбуривания и выемки угля, разрез В-В.
Технология разработки пологозалегающих угольных пластов содержит угольный пласт 1, выемочную камеру 2, комплекс открыто-подземной разработки 3, борт карьера 4, площадку 5, барьерный целик 6, границу выемочной камеры 7, добытый уголь 8, буровую гидродинамическую машину 9, электропривод 10, телескопическую штангу с рукавом высокого давления 11, буровой гидродинамический инструмент 12, буровую роторную головку 13, буровую скважину 14, камеру гидродинамического бурения 15, разбуренный уголь 16, устройство гидровыдачи угля 17.
Способ комбинированной технологии разработки пологозалегающих угольных пластов осуществляется следующим образом. На этапе разработки угольных пластов на высоту до 5 м производят подготовку угольного пласта 1 и площадки 5. Затем на выровненную площадку 5 устанавливают комплекс открыто-подземной разработки 3. Разработку угля ведут от основания пласта, по восходящей траектории, при помощи выемочных камер 2 шириной (c) 4 м и высотой (b) 4.5, протяженностью (a) до 300 м. При этом угол наклона выемочных камер 2 соответствует углу падения (α) угольного пласта 1 и может изменяться в диапазоне от 0 до 25° к горизонтали. Между выемочными камерами 2 оставляют барьерный целик 6 шириной (d) 5 м, выполняющий барьерную и предохранительную функции.
На втором этапе, включающем разработку угольных пластов 1 на высоту более 5 м, над выемочными камерами 2 осуществляют бурение скважин 14 диаметром 200-250 мм, протяженностью до 300 м. Расстояние (f) от оси буровых скважин 14 до поверхности кровли выемочных камер 2 составляет от 0,5 до 2 м.
Затем на всю протяженность буровой скважины 14 вводят буровой гидродинамический инструмент 12, выполненный в виде телескопической штанги с рукавом высокого давления 11, установленный на буровой гидродинамическую машине 9. При подаче воды в буровую роторную головку 13 по телескопической штанге с рукавом высокого давления 11 происходит разбуривание угля за счет формирования водяных струй с частотой вращения более 1000 об/мин.
При помощи телескопической штанги с рукавом высокого давления 11 начинают возвратное движение бурового гидродинамического инструмента 12 к устью буровой скважины. В результате разбуривания угля с применением буровой гидродинамической машины 9, оснащенной электроприводом 10, образуются камеры гидродинамического бурения 15 размером (t) до 4 м, сопряженные с кровлей выемочных камер 2.
Разбуренный уголь 16, накопленный в основании выемочной камеры 2, выдается на дневную поверхность при помощи комплекса открыто-подземной разработки 3. Причем, при соотношении угля и жидкой фазы равной 1:3 или выше, выемку разбуренного угля 16 из выемочной камеры 2 производят устройством гидровыдачи угля 17, установленного в приустьевой части выемочной камеры 2.
После проведения работ по выемке угля комплексом открыто-подземной разработки 3 или устройством гидровыдачи угля 17 проводится следующий цикл второго этапа. При этом расстояние от оси буровых скважин 14 до поверхности кровли камер гидродинамического бурения 15 также составляет от 0,5 до 2 м.
Высота разработки пологозалегающих угольных пластов с использованием бурового гидродинамического устройства 12 зависит от горно-геологических условий и физико-механических характеристик угольных пластов 1.
Таким образом, вышеуказанный способ комбинированной разработки пологозалегающих угольных пластов позволяет решить проблему разработки пологозалегающего угольного пласта мощностью более 5 м или пластов, расположенных выше 5 метровой отметки от основания площадки, путем сочетания технологий - комплекса открыто-подземной разработки и буровой гидродинамической машины. Кроме того, способ позволяет значительно увеличить эффективность добычи угля, снизить экономические затраты на производство работ и рекультивацию месторождения, а также повысить безопасность жизнедеятельности и защиту окружающей среды.