СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ВЫБУРИВАНИЕМ КЕРНА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
DEVELOPMENT METHOD OF MINERAL DEPOSITS BY DRILLING OF LARGE-DIAMETER CORE

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых, преимущественно трубкообразных малообъемных алмазоносных кимберлитов или доработке корневой части месторождений алмаза после выемки подземным способом.
Известен способ подземной разработки методом выбуривания цилиндрических выработок [1]. Суть метода заключается в проходке с верхнего бурового этажа пилотной скважины диаметром 250-300 мм на высоту этажа. В нижней его части, на доставочном горизонте, к буровому ставу присоединяют расширитель (до 3-5 м) и обратным ходом разбуривают скважину до проектных размеров. После отработки камеры ее заполняют твердеющей закладкой. Недостатком этого способа является необходимость проходки подземных выработок различного назначения.
Известен способ послойно-буровой выемки трубкообразных месторождений алмаза, суть которого заключается в проходке скважины большого диаметра сплошным забоем и последующем ее расширении горной машиной до контура выемочного поля [2]. Достоинством этого способа является возможность отработки неглубоких месторождений без крепления почти отвесных бортов карьера за холодный период года. Недостатком является невозможность применения способа без крепления бортов карьера при увеличении глубины залегания кимберлита и высокий уровень механических перевалок кимберлита, способствующих разрушению кристаллов кимберлита.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ разработки месторождений полезных ископаемых выбуриванием керна большого диаметра, который может осуществляться различными устройствами для бурения колонковым способом скважин большого диаметра, например механическим колонковым буром, применяемым и для реализации способа отрыва керна [3]. При этом сначала обычным способом проходят вспомогательную скважину малого диаметра, затем в эту скважину вводят устройство для отрыва керна и одновременно колонковым буром проходят скважину большого диаметра. Отрыв керна проводят подачей под большим давлением буровой жидкости, но когда породы крепкие, давление жидкости увеличивают действием взрывчатых веществ.
Выполнение сквозного отверстия по оси керна обладает тем достоинством, что в полости этого отверстия можно разместить различные устройства для отрыва керна. В случае, если керн не удается оторвать устройством, то можно дополнительно воздействовать любым известным способом и устройством снаружи керна, разместив для этого конкретное устройство в кольцевой полости скважины большого диаметра. Но основное достоинство заключается в том, что в объеме керна кимберлита большого диаметра остаются в сохранности алмазы. Однако бурение вспомогательной скважины обычным методом, т.е. сплошным забоем, не позволяет в достаточной мере использовать наличие центрального канала в керне большого диаметра, например, для получения достоверной информации для определения места (глубины бурения) и способа отделения керна от массива, выбора коронки и оптимизации параметров режима бурения коронкой. Отсюда вытекают следующие задачи:
- бурение вспомогательной скважины с извлечением керна и определение по керну рационального типа буровой коронки и параметров режима бурения ею основной скважины большого диаметра, концентричной вспомогательной скважине;
- выбор по прочности и трещиноватости керна вспомогательной скважины способа и типа устройства для отделения керна основной скважины большого диаметра от массива и места (глубины бурения) этого отделения.
Эти задачи могут быть решены следующим образом. Согласно предлагаемому способу разработки полезных ископаемых, включающему вскрытие полезного ископаемого, бурение вспомогательных скважин малого диаметра и основных скважин большого диаметра с выбуриванием керна, его отделение от массива, подъем на поверхность и последующую отгрузку, разбивают выемочное поле на сетку с ромбическими ячейками, стороны и короткая диагональ которых равны диаметру основной скважины, в узлах этой сетки, как центрах буримых скважин, на всю глубину залегания полезного ископаемого бурят с извлечением керна вспомогательные скважины диаметром не менее 93-112 мм, экспресс-методами исследуют прочностные свойства пород керна, намечают по этим свойствам рациональный тип буровой коронки и параметры режима бурения ею основной скважины большого диаметра, выбирают по прочности и трещиноватости керна место (глубину бурения) его отделения от массива, способ и тип устройства для этого отделения, затем бурят с извлечением керна основную скважину большого диаметра, концентричную вспомогательной скважине.
2
Для реализации предлагаемого способа разработки можно применить различные способы и устройства для проходки шурфов, скважин большого диаметра и стволов шахт или выбуривания каменных колонн для зданий. При очистке забоя воздухом или водой над колонковой трубой скорость частиц бурового шлама резко уменьшается, и их подъем резко прекращается, поэтому здесь должен быть установлен шламоуловитель. Опережающее и быстрое бурение вспомогательных скважин при отсутствии многолетней мерзлоты создает условия для длительного действия растворов ПАВ. По данным исследований ИГД А.А.Скочинского при концентрации ПАВ в растворе не выше 0,1% у кимберлита прочность на сжатие снижается в 1,9-2,2 раза, а при комбинированном воздействии жидких и газообразных ПАВ (диоксид углерода CO) - в 2,5-3,5 раза. Поэтому применение ПАВ в породах с положительной температурой не только облегчит процесс бурения, но и последующее дробление и измельчение кимберлита. В связи с этим способ отработки предусматривает бурение пилот-скважины диаметром не менее 93 мм для заливки раствора ПАВ и разупрочнения кимберлита. К сожалению, применение ПАВ эффективно, если поры горной породы не заполнены льдом. При бурении вспомогательных скважин принимают дополнительные меры по заданию вертикальности оси скважин и недопущению их искривления, так как вспомогательную скважину при необходимости можно использовать в качестве направляющей для задания направления оси основной скважины.
При выбуривании керна кимберлита наиболее трудноразрешимой проблемой является срыв керна. Если бурить скважину диаметром 1000 мм в кимберлите, то, чтобы сорвать керн, требуется приложить усилие 300-400 т. Чтобы создать такое усилие отрыва, необходимо подать на забойное устройство давление не менее 150-200 атмосфер. Хотя в наше время и 500 атмосфер не является проблемой, однако сам керн может разрушаться от смятия под кернозахватным устройством, нарушая условия передачи усилия отрыва на керн. Поэтому необходим поиск способов разупрочнения или ослабления керна в зоне его отрыва. В этом плане можно использовать различные пильные устройства, расширители скважин, нагревательные устройства, гидроразрыв, термические напряжения при нагреве и даже энергию микровзрывов. При этом наличие в центре керна полости может служить тем каналом передачи энергии, с которой будет суммироваться усилие отрыва и момент кручения, развиваемые буровым станком для срыва керна. Если этого недостаточно, необходимо поднять колонковую трубу и разместить в полости скважины устройства, реализующие различные способы отделения керна от массива. Одновременное действие разрушающих сил изнутри и снаружи керна делает возможным отрыв керна кимберлита диаметром и более 1 м. Однако если в разрезе скважины имеются пересекающие керн трещины или зоны трещиноватости, то подрыв керна большого диаметра производят в наиболее разрушенной части керна, применяя при этом кернозахватные устройства, перекрывающие сечение керна.
Искривление скважин преимущественно вызывается неравномерным сопротивлением пород разрушению, и искривление происходит в ту сторону, где наименьшее сопротивление разрушению. Поэтому, искусственно создавая необходимое сопротивление и ограничивая уход инструмента, можно держать искривление скважины в допустимых пределах. Такие условия создаются при бурении соприкасающихся и перекрывающихся скважин. Для таких скважин можно изготовить устройство для параллельного бурения, к примеру по а.с. СССР №374451. Применяя это устройство, бурение скважин осуществляют по кондуктору, который размещают в ранее пробуренной скважине.
Однако следует подчеркнуть, что при бурении скважин большого диаметра искривление скважин при бурении неглубоких скважин в относительно однородных породах менее вероятно. Как средство уменьшения искривления можно рассматривать закладку пробуренной скважины пустой породой после обогащения или породами вскрыши до начала бурения смежной скважины.
Из анализа известных способов разработки трубкообразных и других месторождений видно, что предлагаемый способ представляет собой комбинацию бурения скважин различного целевого назначения, а именно бурение геологоразведочных скважин и скважин большого диаметра с извлечением керна по предлагаемой схеме. При такой комбинации, предлагаемой нами, появляется возможность более точно проектировать технико-технологическую сторону бурения скважин большого диаметра, чем по данным геологической разведки. По этим данным нельзя определить рациональную длину керна большого диаметра и более обоснованно выбрать тип буровой коронки и оптимизировать параметры режима бурения. Мы полагаем, что благодаря последовательному бурению этих скважин при разработке трубкообразных месторождений, предлагаемый способ разработки месторождений полезных ископаемых по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- определяются рациональный тип буровой коронки и параметры режима бурения для каждой скважины большого диаметра по кернам пробуренной по ее центру вспомогательной скважины;
- появляется возможность выбора способа и типа устройства для отделения керна скважины большого диаметра от массива и места (глубины бурения) этого отделения по прочности и трещиноватости керна вспомогательной скважины;
- при отсутствии мерзлоты массив пород разупрочняется растворами ПАВ на большую глубину, благодаря продолжительному их действию без увеличения длительности основного цикла выемки полезного ископаемого.
Все это позволяет нам утверждать, что наше предложение обладает новизной и существенными отличиями, т.к. новые свойства не являются арифметической суммой свойств каждого отдельно взятого способа разработки и не просто следствием развития уровня техники.
На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа разработки; на фиг.2 - последовательность реализации предлагаемого способа выемки:
а) бурение вспомогательной скважины;
б) выбуривание керна большого диаметра;
в) закладка полости скважины большого диаметра.
Способ осуществляется следующим образом. После вскрыши месторождения выемочное поле разбивают на сетку с ромбическими ячейками со сторонами и короткой диагональю, равной диаметру (D) рабочей скважины 1 большого диаметра. В узлах сначала бурится с извлечением керна вспомогательная скважина 2 диаметром не менее 93-112 мм, затем при отсутствии мерзлоты в скважину заливают раствор ПАВ. По керну определяют экспресс-методом прочность и буримость кимберлита 3 (рис.2), его трещиноватость, фотографируют и отгружают на обогащение. Керн может храниться и до конца бурения рабочей скважины большого диаметра. По полученным данным выбирают коронку большого диаметра 4, способ и тип устройства для отделения керна 5 рабочей скважины 1 от массива, задают глубину (длину керна 5) и параметры режима бурения рабочей скважины большого диаметра 1, концентричной вспомогательной скважине 2.
По этим данным проектируются геолого-технические условия и режимы бурения скважины большого диаметра и отделения керна 5 от массива, графически представляемые, как геологический разрез скважины с нанесенной планограммой работ по выбуриванию керна. Такие геолого-технологические карты разрабатываются для каждой скважины. После этого начинают бурение скважины большого диаметра и, достигнув заданной глубины бурения, срывают керн, а колонковую трубу 6 с керном поднимают наверх, где укладывают в специальное место, оборудованное средствами для извлечения керна. При необходимости по результатам бурения корректируют режимы бурения, а также способы и средства отделения керна от массива. Таким же образом выбуривают следующий керн и так, пока не достигнут запланированной глубины бурения. Если у скважины нет отклонения от вертикальности, то ее закладывают смесью песка и пустой породы 7 после обогащения и вскрыши. При отклонении скважины от вертикальности, как приведено выше, используют кондуктор для бурения параллельных скважин, к примеру по а.с. СССР №374451.
Источники информации
1. Бородин А.А. О возможности выемки кимберлитовой руды вертикальными цилиндрическими выработками [Текст] / А.А.Бородин, Н.П.Бородин, А.А.Бородин // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы: сб. докл. / Международная научно-практическая конференция «Мирный-2001: 1-9 июля 2001 г.». - М., Издательский дом «Руда и металлы», 2002. - С.339-345.
2. Патент России №2090754, E21C 41/26. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых [Текст] / Л.Н.Федоров. - №94025105/03; заявл. 04.07.94; опубл. 20.09.97, бюл. №26. - 6 с.: ил.
3. А.с. 67474 СССР, Класс 5а, 37. Способ отрыва керна после проходки колонковым буром [Текст] / Г.И.Булах (СССР). - №30-46 (343046); заявл. 19.02.1946; опубл. 31.12.1946. - 4 с.; ил.