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

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при отработке месторождений полезных ископаемых, на которых применение традиционных способов существенно осложнено горно-геологическими условиями, или нежелательно по экологическим соображениям.
Известен способ подземной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивной формации вертикальной центральной выработкой, размещение в центральной выработке гидродобычного оборудования, формирование над продуктивной формацией искусственной кровли путем размыва и выдачи породы, заполнение полученной полости твердеющей смесью, размещение в центральной выработке гидродобычного оборудования, размыв продуктивной формации с формированием с формированием добычной камеры, подъем пульпы на поверхность и закладку добычной камеры твердеющей смесью (Патент РФ № 2107165, кл. Е21С 45/00, 1997 г.).
Данному способу присущ ряд недостатков.
Во-первых, добычная камера сильно ограниченна по диаметру, так как вскрытие производится центральной скважиной, в которой невозможно разместить мощное высокопроизводительное гидромониторное оборудование.
Также возникают проблемы с подъемом пульпы, особенно при больших глубинах разработки, поскольку в скважине невозможно разместить высокопроизводительное насосное оборудование. Все это снижает эффективность отработки.
Известно устройство для подземной гидродобычи полезных ископаемых, включающее наземный узел, буровой агрегат, по меньшей мере одну напорную магистраль с гидромонитором, пульповыдочную колонну и приемный узел с пульпоприемными окнами, сообщенными с полостью пульповыдачной колонны (см. патент Российской Федерации № 2029869, кл. Е21С 45/00, 1990 г.).
Данное устройство позволяет производить как проходку вертикальной выработки, так и гидромониторный размыв полезного ископаемого. Однако оно не применимо при вскрытии месторождения стволом и не позволяет создавать добычную камеру сколько-нибудь значительных размеров.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности отработки месторождений полезных ископаемых.
Технический результат, достигаемый в результате использования изобретения, повышение производительности добычи полезных ископаемых за счет увеличение радиуса добычной камеры и возможности использования мощного высокопроизводительного гидромониторного и насосного оборудования.
Технический результат достигается тем, что в способе гидродобычи полезных ископаемых, включающем вскрытие продуктивной формации вертикальной центральной выработкой, формирование над продуктивной формацией искусственной кровли путем размыва и выдачи породы и заполнение образованной полости твердеющей смесью (твердеющей закладкой), размыв продуктивной формации с формированием добычной камеры, подъем пульпы на поверхность и закладку добычной камеры твердеющей смесью, вскрытие производят бурением ствола, искусственную кровлю формируют послойно сверху вниз, причем каждый нижележащий слой создают диаметром большим вышележащего после затвердевания в нем закладки, размыв продуктивной формации ведут слоями сверху вниз, при этом в слоях размыв ведут посекторно, с закладкой отработанного сектора.
Диаметр каждого нижележащего слоя искусственной кровли больше диаметра вышележащего на удвоенную величину устойчивого обнажения кровли.
Начиная со второго каждый слой искусственной кровли формируют посекторно. Каждый последующий сектор в слое искусственной кровли размывают рядом с заложенным, начиная от противоположной стороны, а заканчивают размыв и производят его закладку после частичного схватывания.
Сектора в нижнем слое искусственной кровли создают в шахматном порядке по отношению к секторам в вышележащем слое.
Размыв в секторах при отработке каждого слоя продуктивной формации производят через один.
Размыв в секторах при отработке каждого нижележащего слоя продуктивной формации производят в шахматном порядке по отношению к секторам в вышележащем слое.
Перед размывом очередного сектора размывают технологическую камеру, которую после размыва сектора и перед подачей в его выработанное пространство твердеющей смеси, заполняют сыпучим материалом, а после отработки всех секторов слоя, сыпучий материал из всех технологических камер вымывают и производят их закладку твердеющим материалом.
Размыв очередного слоя продуктивной формации начинают с размыва в верхней части слоя кольцеобразной камеры прилегающей к стволу, производят ее закладку твердеющим материалом, после затвердевания которого, начинают размыв секторов.
Технологическую камеру создают с радиальным размером меньшим радиального размера кольцеобразной камеры.
Размыв продуктивной формации ведут секторами наклонными от периферии к стволу, а слой формируют в виде перевернутого конуса.
Кроме того, при наличии участка пустой породы его пропускают, а на границе его и нижележащего участка содержащего полезный компонент формируют новую искусственную кролю и под ней производят размыв продуктивной формации.
Устройство для подземной гидродобычи полезных ископаемых, включающее наземный узел, буровой агрегат, по меньшей мере, одну напорную магистраль с гидромонитором, пульповыдочную колонну и приемный узел с пульпоприемными окнами сообщенными с полостью пульповыдочной колонны. Оно снабжено платформой, телескопическими фиксаторами с рабочими концами и, по меньшей мере, одним направляющим узлом, закрепленными на платформе, телескопическими штоками, каждый из которых одним концом закреплен на платформе, а другим в наземном узле, и корпусом, в котором размещены напорная магистраль и пульповыдачная колонна. Пульповыдачная колонна выполнена из отдельных секций, связанных между собой разъемными соединениями, в каждой секции по образующей выполнено, по меньшей мере, одно окно, в котором размещен гидромонитор. Платформа охватывает пульповыдачную колонну, в секциях по образующей выполнены пазы под рабочие концы телескопических фиксаторов. Напорная магистраль выполнена гибкой с возможностью выдвижения с гидромонитором через окна секций и пропущена через направляющий узел. В ближайшей к буровому агрегату секции размещен приемный узел, при этом в качестве бурового агрегата используют буровую установку для проходки вертикальных стволов.
Кроме того, устройство снабжено закладочным трубопроводом, размещенным в корпусе.
Также оно снабжено направляющими, закрепленными по обе стороны окон секций, и, размещенной в направляющих, шайбой, через которую пропущена напорная магистраль с гидромонитором.
При этом шайба закреплена на платформе.
В окнах секций установлены герметизаторы.
Приемный узел снабжен пакером с верхней поверхностью, имеющей обратную конусность, и породосборником, которые размещены под пульпоприемными окнами.
Корпус снабжен элементами качения и уплотнителями, размещенными между секциями.
Гидромонитор и магистраль снабжены элементами качения.
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 в разрезе;
на фиг. 2 - последовательность создания слоя искусственной кровли;
на фиг. 3 - разрез отработки с технологической камерой;
на фиг. 4 – то же в плане;
на фиг. 5 - схема отработки с кольцевой камерой в разрезе;
на фиг. 6 – то же в плане;
на фиг. 7 - схема отработки с перевернутыми конусообразными слоями;
на фиг. 8 - дополнительное крепление кровли на поверхности;
на фиг. 9 - схема отработки при наличии пустого участка внутри продуктивной формации (на примере кимберлитовой трубки);
на фиг. 10 - тоже разрез в плане по АА;
на фиг. 11 - устройство для подземной гидродобычи, находящееся в стволе;
на фиг. 12 - продольный разрез секций;
на фиг. 13 - поперечный разрез секций;
на фиг. 14 - направляющий узел;
на фиг. 15  -вид по Б;
на фиг. 16 - узел 1.
Осуществление способа поясняется на примере отработки алмазоносной кимберлитовой трубки.
С поверхности проходят (бурят) шахтный ствол 1. На контакте 2 налегающих пород 3 и продуктивной формации 4 формируют искусственную кровлю 5.
Формирование кровли осуществляют сверху вниз. Сначала гидромонитором 6, вокруг ствола 1 в налегающих породах 3 размывают кольцевую камеру диаметром d равным устойчивому обнажению покрывающих пород. Заполняют эту камеру твердеющей смесью, после затвердевания смеси образуется первый слой искусственной кровли 5. Под защитой этого слоя, ниже него начинают размывать сектор второго слоя. Размер сектора в радиальном направлении превышает размер вышележащего слоя кровли на величину устойчивого обнажения кровли. Угловые размеры сектора принимают такими, чтобы дуга 8, ограничивающая его снаружи также не превышала величины устойчивого обнажения кровли. После размыва сектора его закладывают твердеющей смесью и начинают размывать следующий сектор. Возможны несколько вариантов последовательности размыва и закладки секторов в одном слое создаваемой искусственной кровли. Например, можно сектора через один в две очереди, тогда после размыва всех секторов первой очереди, сектора второй очереди будут находиться между стенками затвердевшей закладки. Можно также отрабатывать сектора симметрично в диаметрально противоположных направлениях. Если позволяют условия, взаимопротивоположные сектора можно размывать одновременно. Такая последовательность целесообразна при очень слабосвязанных породах, сильнообводненных породах, склонных к плывунным явлениям, для равномерности распределения нагрузки от вышележащего слоя искусственной кровли на породу.
Наиболее целесообразной представляется следующая последовательность отработки секторов. После заполнения твердеющей смесью сектора 7 производят размыв прилегающего к нему сектора 9, начиная от противоположной, к сектору 7, стороны. Темпы размыва и размеры сектора принимают такими, чтобы окончить размыв и приступить к заполнению твердеющей смесью, когда твердеющая смесь предыдущего сектора 7 частично, но не полностью затвердела. Это позволяет добиться «монолитного» сцепления закладки рядом лежащих секторов 7 и 8. Если позволяют условия эти операции можно производить одновременно с двух сторон от сектора 7.
После размыва и закладки всех секторов очередного слоя получается двухслойная искусственная кровля, верхний слой которой лежит на нижележащем слое, диаметр которого больше вышележащего на удвоенную величину устойчивого обнажения кровли. После этого, по схеме второго слоя, начинают создавать третий слой искусственной кровли и т.д., пока не выйдут на проектный диаметр искусственной кровли перекрывающей всю площадь разрабатываемого участка продуктивной формации и выступающий за его пределы для опоры кровли на боковые стенки участка при его отработке.
Для большей несущей способности искусственной кровли сектора в каждом нижележащем слое располагают в шахматном порядке по отношению к секторам в вышележащем слоек.
После создания искусственной кровли 5, приступают к отработке месторождения.
Размыв продуктивной формации 4 производят слоями 10 сверху вниз, причем в каждом слое размыв ведут отдельными секторами 11, с закладкой отработанного сектора 12 твердеющей смесью.
Варианты последовательности размыва секторов в слое 10, при размыве продуктивной формации могут быть те же, что и при создании искусственной кровли 5. Однако наиболее целесообразным следует признать размыв секторов через один с шахматным расположением по отношению к секторам вышележащего слоя поскольку, во-первых он гарантирует надежное поддержание кровли и заполненного выработанного пространства, а во-вторых позволяет несколько снизить энергозатраты, так как секторы второй очереди уже отрезаны от массива по трем плоскостям - сверху и с боков.
Угловые размеры каждого размываемого сектора, при фиксированной длине дуги 8 уменьшается пропорционально увеличению радиуса добычной камеры 13. При значительном радиусе длины дуги в околоствольной зоне поперечные размеры сектора станут настолько незначительными, что не позволят разместить оборудование и точно выдержать направление размыва.
Чтобы ликвидировать этот недостаток, в необходимых случаях, перед размывом очередного сектора 11 размывают технологическую камеру 14 с размером необходимым для размещения и ориентирования оборудования. Из этой камеры начинают размыв сектора 11. После того как сектор полностью размыт и почва его зачищена, технологическую камеру 14 заполняют сыпучим материалом, например песком, создавая, таким образом, перемычку 15. После ее создания в полость отработанного сектора, по трубопроводу 16, подают твердеющую смесь. Для подачи последней могут быть использованы также закачные скважины 17, которые бурят в полость с поверхности.
После отработки и затвердевания закладки во всех секторах слоя сыпучий материал из всех технологических камер 14 вымывают и производят их закладку твердеющим материалом.
Поскольку каждый слой отрабатывается и закладывается посекторно, сцепление между закладочным материалом отдельных секторов может быть не надежным. В этом случае, при отработке нижележащего сектора закладочный материал вышележащего сектора может обвалиться в выработанное пространство. Чтобы это предотвратить, каждому слою предают форму усеченного конуса (см. фиг. 5) с большим нижним основанием. В результате закладочный материал со стороны границы отрабатываемого участка опирается на ненарушенный массив горных пород 18. Для того, чтобы не происходило обрушение закладки вышележащего сектора в приствольной зоне, отработку очередного слоя начинают с размыва в верхней его части, прилегающей к стволу 1, кольцеобразной камеры 19. Затем производят ее закладку твердеющим материалом, после затвердевания которого образуется кольцевая искусственная кровля 20, на которую опирается закладочный массив вышележащего слоя и под защитой которого начинают размыв секторов отрабатываемого слоя. При этом кольцевая искусственная кровля 20 опирается сначала на массив продуктивной формации, и по мере отработки, на закладочный массив отдельных секторов 21.
Если по условиям отработки необходимо создавать технологические камеры 14, то их создают под кольцевой искусственной кровлей 20, причем, радиальный размер технологической камеры 14 должен быть меньше радиального размера кольцевой искусственной кровли 20. Соотношение их размеров определяют исходя из условия размещения оборудования в технологической камере 14 и устойчивости кольцевой искусственной кровли 20.
Для облегчения доставки размытой горн из очистного забоя к стволу, размыв ведут наклонными секторами 21 с падением (отрицательным углом наклона) от периферии к стволу 1. Таким образом, слой формируют воронкообразной формы (в виде перевернутого конуса). Угол наклона сектора наиболее целесообразно принять равным углу естественного откоса разрушенной продуктивной формации.
Если при отработке месторождения встречается участок пустой породы 21, или представленный продуктивной формацией, отработка которого экономически нецелесообразна, то его не отрабатывают, а на границе его и нижележащего участка 22, содержащего полезный компонент, формируют новую (дополнительную) искусственную кровлю 23 и под ней производят размыв продуктивной формации.
Данный способ позволяет значительно увеличить площадь отработки с одной вскрывающей выработки, при этом надо иметь в виду, что минимальные размеры площади отработки определяются экономическими соображениями, т.к. бурение ствола требует значительных затрат.
В ряде случаев возможна отработка всего месторождения с использованием одного ствола - в частности при разработке кимберлитовых трубок (см. фиг. 9). В этом случае нижний слой искусственной кровли 5 может создаваться конгруэнтным верхней поверхности кимберлитовой трубки и большим ее на величину обеспечивающую устойчивость искусственной кровли при отработке месторождения и надежную изоляцию налегающих пород 3, от попадания в добычную камеру 13.
Для большей надежности искусственной кровли 5 ее дополнительно крепят на поверхности. Для этого в контуре искусственной кровли 5 бурят скважины 24. В этих скважинах монтируют металлическую арматуру 25 - трубы, канаты и т.п., верхние концы которых закрепляют на поверхности. Затем в эти скважины подают твердеющий материал, после затвердевания, которого создается надежное крепление.
Устройство для подземной гидродобычи полезных ископаемых, позволяющее осуществить предложенный способ, включает наземный узел 26, буровой агрегат 27, по меньшей мере, одну напорную магистраль 28, с гидромонитором 29, пульповыдачную колонну 30, и приемный узел 31 с пульпоприемными окнами 32. Платформу 33, телескопические фиксаторы 34 с рабочими концами 35, направляющий узел 36, телескопические штоки 37 и корпус 38, выполненный из отдельных секций. На платформе 33 закреплены телескопические фиксаторы 34 и направляющий узел 36. Каждый телескопический шток 37 одним концом закреплен на платформе 33, а другим в наземном узле 26. В корпусе 38 размещены напорная магистраль 28 и пульповыдачная колонна 30, которую охватывает платформа 33. В каждой секции корпуса 38, по образующей, выполнено, по меньшей мере, одно окно 39, в котором размещен гидромонитор 29. В секциях корпуса 38, также по образующим, выполнены пазы 40, в которые входят рабочие концы 35 телескопических фиксаторов 34. Напорная магистраль 28 выполнена гибкой, и пропущена через направляющий узел 36, с возможностью выдвижения, с гидромонитором 29, через окно 39.
Возможно снабжение устройства несколькими напорными магистралями 28 и гидромониторами 29. В этом случае для каждой магистрали 28, в секциях корпуса 38, выполнены отдельные окна 39. Приемный узел 31 размещен в ближайшей к буровому агрегату 27 секции корпуса 38. В качестве бурового агрегата используют стандартную буровую установку для проходки вертикальных стволов широко известных в мировой практике (см. например «Горная энциклопедия», М., «Советская энциклопедия» 1989, т. 1, с. 308-309 и т. 4, с. 321- 322).
В корпусе 38 также может быть размещен закладочный трубопровод 41.
По обе стороны от окон 39 секций корпуса 38 закреплены направляющие 42, в которых размещена шайба 43, через которую пропущена напорная магистраль 28 с гидромонитором 29, и, в случае наличия закладочного трубопровода 41, закладочная шайба 44, через которую пропущен закладочный трубопровод 41. Последний пропущен также через закладочный направляющий узел 45.
Для более точного центрирования гидромонитора 29, шайбы 43 и 44 закреплены на платформе 33.
Для предотвращения попадания в полость корпуса воды и кусков породы окна снабжены герметизаторами 46, выполнение которых различным - в виде эластичных лепестков, металлических жалюзи и т.п.
Приемный узел 31 снабжен пакером 47, с верхней поверхностью имеющей обратную конусность, и породосборником 48. Пакер 47 и породосборник 48 размещены под пульпоприемными окнами 32.
Для свободного перемещения секций корпуса 38 относительно друг друга, он снабжен элементами качения 49, размещенными между его секциями. Элементы качения могут быть выполнены в виде роликов, шариков, их комбинаций и т.п. для изоляции элементов качения 49 и полости корпуса, между секциями корпуса 38 размещены уплотнители 50, предотвращающие попадание воды и кусков горной породы из ствола 1.
Поскольку размыв может составлять сотни метров, для удобства перемещения, гидромонитор 29 и напорная магистраль 28 снабжены элементами качения 51, закрепленными в хомутах 52, и равномерно распределены по длине напорной магистрали 28, или салазками. Аналогично оснащен закладочный трубопровод 41 (на чертеже не показано). Для свободы маневрирования элементы качения 51 крепятся на оси 53, которая шарнирно закреплена на штоке 54 хомута.
Направляющий узел 36 (а также и закладочный направляющий узел 45) может быть выполнен в виде роликов 55 и 56, установленных в вилках 57 и 58, закрепленных на платформе 33.
Секции корпуса 38 связаны между собой разъемными соединениями 59, например, в виде вставных пальцев или подвижных шлиц, управляемых дистанционно, например, с поверхности земли.
Устройство работает следующим образом.
На поверхности земли сооружают наземный узел 26, монтируют буровой агрегат 27 и, приводя его во вращение посредством буровой колонны 60, начинают бурение ствола 1. После заглубления 27, его останавливают и к его верхней части присоединяют секцию корпуса 38 с приемным узлом 31. Продолжают бурение. После заглубления секции корпуса 38 с приемным узлом 31, к ее верхней части присоединяют следующую секцию корпуса 38 и т.д. После достижения расчетной глубины (это может быть полная проектная глубина месторождения, или отдельного участка) бурение прекращают. Затем перекрывают пакером 47 зазор между стенкой ствола 1 и корпусом устройства, и начинают размыв окружающих пород. Размыв производят как для создания полости (например, для сооружения искусственной кровли 5) так и при очистной выемке.
Размыв осуществляют следующим образом.
Платформу 33 телескопическими штоками 37 перемещают в секцию корпуса 38, вокруг которой будут производить размыв. Через направляющий узел 36 и шайбу 43, гидромонитор 29 с напорной магистралью 28, подают в окно 39. При этом если герметизатор 46 выполнен в виде эластичных лепестков, гидромонитор 29 раздвигает их. Подают давление в телескопические фиксаторы 34 и их рабочие концы 35 упираются в дно пазов 40. Разъединяют разъемные соединения 59, связывающие секцию, в которой находится платформа 33 с соседними секциями. Затем подают в напорную магистраль 28 жидкость, которая, выходя из насадки гидромонитора 29, производит размыв массива. В наземном узле 26 приводят во вращение вокруг оси устройства телескопические штоки 37, которые передают вращение платформе 33. Последняя, через рабочие концы 35 телескопических фиксаторов 34, передает вращение секции корпуса 38, в которой она находится. Секция начинает вращаться относительно рядом расположенных секций, катясь по элементам качения 49. В результате гидромонитор 29 совершает круговое движение вокруг оси устройства (и соответственно ствола 1) размывая или кольцевую или секторную камеру. По мере необходимости напорная магистраль 28 с гидромонитором 29 выдвигается разработанную камеру, сохраняя оптимальное расстояние между насадкой гидромонитора 29 и разрушаемым массивом. При выдвижении гидромонитор 29 и напорная магистраль перемещаются по почве выработанного пространства на элементах качения (роликах, колесах и т.п.) 51 или салазках. После полной отработки камеры на данном горизонте, рабочие концы 35 телескопических фиксаторов 34 выводятся из упора в дно пазов 40. Гидромонитор 29 и напорная магистраль 28 возвращаются в корпус устройства. Платформа 33 с гидромонитором 29 перемещается или вверх или вниз в зависимости от принятого направления отработки. При этом шайба 43 перемещается в направляющих 42 и операции повторяются. Возможно перемещение платформы 33 по высоте секции корпуса 38 с одновременной работой гидромонитора 29 и вращением этой секции.
Получаемая при размыве пульпа стекает по стенкам ствола 1 к пакеру 47 и по его верхней поверхности, через окна 32 в породосборник 48. Из породосборника 48 пульпа по пульповыдачной колонне 30 гидротранспортом выдается на поверхность. Выдача может осуществляться как насосом, так и гидроэлеватором, эрлифтами и их комбинацией.
Наиболее крупные куски породы, которые не могут быть выданы гидротранспортом на поверхность, остаются в породосборнике 48 и поднимаются на поверхность при подъеме всего устройства.
Возможно также для подъема крупных кусков оборудование устройства механическим подъемником, например, скипом, цепным многоковшовым элеватором и т.д.
После отработки камеры производится заполнение ее твердеющей смесью (закладкой).
Через закладочный трубопровод 41 может подаваться как твердеющая смесь, так и любой иной сыпучий или жидкий материал. При закладке отработанной камеры, платформа 33 располагается по высоте несколько глубже ее кровли. Закладочный трубопровод 41 через закладочный направляющий узел 45, закладочную шайбу 44, окно 39 и герметизатор 46, подает в полость и производится подача материала. Поскольку закладочный трубопровод располагается под кровлей камеры, при подаче жидкого твердеющего материала, последний растекается по всей площади камеры и заполняет ее на всю высоту. При подаче сыпучего материала, закладочный трубопровод 41 желательно продвинуть как можно ближе к наиболее удаленной точке и отсыпать в отступающем порядке.
Настоящее изобретение позволит за счет применения высокопроизводительного оборудования значительно повысить эффективность отработки месторождений. Кроме того, поскольку вскрытие значительного по площади участка производится одной вертикальной выработкой, а также осуществляется селективная выемка полезного ископаемого, значительно уменьшается вредное воздействие на окружающую среду. Также, за счет применения мощного добычного оборудования, снижаются потери полезного ископаемого, и прежде всего такого ценного, как алмазы.