СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ
METHOD FOR HYDRAULIC BOREHOLE MINING

Предлагаемая технология относится к горной промышленности и может быть использована при разработке полезных ископаемых. Цель изобретения - повышение эффективности технологии скважинной гидродобычи слабосцементированных и рыхлых продуктивных отложений, которая заключается во вскрытии продуктивного массива добычными скважинами до его нижней границы, переводе полезно ископаемого в месте залегания в состояние гидросмеси в затопленном забое, с последующей выдачей гидросмеси на дневную поверхность через скважины при помощи выдающих устройств - эрлифтов.
Известен способ скважинной гидродобычи, где скважину бурят до нижней границы продуктивного массива, гидроразмыв руды и гидроподъем пульпы осуществляют единым гидродобычным агрегатом, подача воздуха, в виде газожидкостной смеси, осуществляется ниже плоскости всасывания эрлифта [1].
Недостатками указанного способа являются, во-первых, фактическая неосуществимость процесса гидроразмыва горизонтальными струями в затопленной среде так, как известно, что радиус размыва затопленных струй независимо от применяемого рабочего давления и диаметра насадки не превышает 0,3-0,7 м. Во -вторых, чтобы осуществлять добычу в восходящем порядке, необходимо поднимать единый комплекс гидродобычного агрегата, а очистную камеру формировать под ним, что приведет к отсутствию процесса всасывания руды, так как плоскость всасывания эрлифта всегда находится выше уровня горной массы, что не позволяет твердому участвовать в процессе всасывания.
Известен способ скважинной гидродобычи [2], где гидродобычной агрегат представляет собой две вставленные друг в друга соосные трубы, причем межтрубное пространство разделено герметичной перегородкой с уплотнителями по всей длине трубы, позволяющими наружной трубе поворачиваться относительно внутренней. Рабочие агенты вода и воздух под давлением подаются через межтрубное пространство, соответственно в каждую из двух герметичных полостей, разделенных перегородкой. Внутренняя труба является пульповодом эрлифта, а в наружной установлен гидромонитор на шарнире, который может быть повернут на некоторый угол в сторону забоя при помощи масляного гидравлического цилиндра, работающего от источника давления масла, установленного у устья скважины. Поворот внешней трубы вместе с гидромонитором позволяет осуществить круговой гидроразмыв. Недостатком этого способа является невозможность приближения гидромонитора к забою, а следовательно, общая проблема всех подобных устройств - неэффективность гидроразмыва горизонтальными затопленными струями. При изменении горизонта отработки должен быть перемещен весь комплекс добычного агрегата, при этом очистная камера будет формироваться ниже плоскости всасывания эрлифта, что не обеспечивает участие твердого в процессе всасывания. При реализации этого способа скважинной гидродобычи сложно обеспечить безаварийную работу гидродобычного агрегата при больших глубинах отработки и большой мощности продуктивного слоя.
Близким по технической сущности является способ [3], при котором пульпоподъемный став с подпятником и окнами для всасывания на боковой поверхности в его нижней части опускают в пробуренную скважину до почвы очистной камеры. Выше окон на ставе закреплена втулка с криволинейным пазом. Став напорного водовода, имеющий две насадки, одна для гидроразмыва направлена горизонтально, другая для разрыхления направлена вертикально вниз, опускают параллельно пульпоподъемному ставу. Ствол гидромонитора имеет прилив, соединенный с криволинейным пазом. При перемещении става гидромониторов вверх, ствол, двигаясь по криволинейному пазу, поворачивается вокруг става пульповода на 240°, что, по мнению авторов, должно обеспечить почти круговой размыв горизонтальной затопленной струей. При движении става вниз гидромонитор поворачивается обратно. Процесс на этом горизонте отработки можно повторять многократно. Недостатками предлагаемого способа можно назвать неэффективность гидроразмыва горизонтальными затопленными струями, так как насадка гидромонитора не может быть приближена к постоянно удаляющемуся забою, кроме того, она не имеет ствола, что не позволят получить струю достаточной мощности; монитор для разрыхления не может создать в рудной массе у всасывающих окон разрушающих скоростей фильтрации, то есть обеспечить гидровзвешивание несвязной рудной массы, так как он при движении по криволинейному пазу удаляется от рудной массы в зумпфе, а не погружается в нее, поэтому процесс всасывания не будет эффективным; вертикальные всасывающие окна на боковой поверхности оказывают большое сопротивление всасывающему потоку и могут быть легко забутованы негабаритными кусками руды или породы, что приведет к аварийной остановке работы эрлифта; при изменении горизонта отработки необходимо поднять весь комплекс гидродобычного агрегата, что приведет к тому, что всасывающие окна окажутся выше уровня несвязной рудной массы, скапливающейся на дне очистной камеры, и твердое не будет участвовать в процессе всасывания; в затопленном забое и в условиях обрушения рудной массы со стен и свода очистной камеры велика вероятность аварийного заклинивания прилива ствола гидромониторов в криволинейном пазу втулки.
Наиболее близким, по технической сущности к предложенному варианту, является способ разработки мощных массивов рыхлых руд и образование очистных камер большого диаметра в глубоких затопленных водой горизонтах, где размыв осуществляется гидромонитором, водовод которого выходит из пульповода гидродобычного агрегата наружу через технологические отверстия в его корпусе за счет образования разделенных перемычками наклонных ответвлений не менее, чем на двух горизонтальных радиальных уровнях осуществляя формирование очистной камеры [4].
Недостатком указанного способа является то, что подъем всего гидродобычного агрегата на другой горизонт отработки приводит к невозможности осуществления процесса всасывания, так как обрушающаяся в процессе размыва руда падает значительно ниже всасывающих окон и не участвует в процессе всасывания.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности технологии скважинной гидродобычи, за счет создания условий непрерывного принудительного гидроразмыва и дезинтеграции рудного тела с последующим обрушением кровли и боковой поверхности очистной камеры и создания условий эффективного непрерывного всасывания несвязной рудной массы в виде кондиционной гидросмеси во всасывающий наконечник эрлифта в затопленном забое при любых глубинах отработки, любой мощности продуктивного слоя неоднородных по прочности рыхлых руд. Это достигается тем, что агентоподающие колонны труб в гидродобычном агрегате и пульпоподъемную трубу, в стесненных условиях добычной скважины, размещают эксцентрично, причем напорный водовод гидромонитора для гидроразмыва рудного тела устанавливают вне гидродобычного агрегата, параллельно пульпоподъемной трубе эрлифта, и независимо от нее перемещают вверх или вниз, а гидромонитор с насадкой для гидроразмыва на его конце отклоняют, постоянно приближая его к непрерывно удаляющейся боковой поверхности очистной камеры, в результате чего процесс гидроразмыва, разуплотнения и дезинтеграции рудного тела производят перемещением гидромонитора вверх и вниз, вдоль всей боковой поверхности затопленной очистной камеры. Гидроразмыв и разуплотнение рудной массы производят как за счет воздействия гидромониторной струи, так и механического воздействия лопатообразного скребка, установленного на насадке. Перемещение напорного водовода гидромонитора для гидроразмыва вверх или вниз вдоль боковой стенки очистной камеры, осуществляют с применением отдельной подъемной установки, установленной у устья добычной скважины. Обрушенные в зумпф добычной скважины разуплотненные и частично дезинтегрированные куски руды различного размера дополнительно дезинтегрируют и гидровзвешивают восходящим потоком воды от гидромонитора для гидровзвешивания, находящегося ниже плоскости всасывания всасывающего наконечника эрлифта, в зумпфе добычной скважины и в виде кондиционной гидросмеси всасывают и поднимают эрлифтом на дневную поверхность, причем напорный водовод гидромонитора для гидровзвешивания и напорный воздуховод смесителя эрлифта размещают внутри пульпоподъемной трубы гидродобычного агрегата. Гидродобычной агрегат, не зависимо от текущего горизонта отработки и гидроразмыва, постоянно размещают в очистной камере у нижней границы разрабатываемого рудного массива, так чтобы плоскость всасывания всасывающего наконечника эрлифта всегда находилась под слоем несвязной горной массы, и перемещают вверх только при его забутовке не размываемыми и негабаритными кусками горной массы на высоту слоя негабаритов.
Размыв, разуплотнение и дезинтеграцию руды гидромонитором для гидроразмыва ведут от уровня плоскости всасывания всасывающего наконечника гидродобычного агрегата, сначала снизу-вверх, а затем в возвратно-поступательном режиме размывают, разуплотняют и обрушают кровлю и боковые стенки очистной камеры, при очередном движении вниз от кровли очистной камеры до зумпфа. Гидромонитор для гидроразмыва отклоняют от оси скважины и боковой поверхности гидродобычного агрегата, максимально приближают его к постоянно удаляющейся боковой поверхности очистной камеры за счет реакции струи дополнительной боковой насадки гидромонитора и подвижного клинового отклонителя, выполненного в виде кольца, установленного на пульпоподъемной трубе гидродобычного агрегата и перемещаемого по ней вверх или вниз за счет тяг. При необходимости, гидродобычной агрегат перемещают вверх или вниз, независимо от того перемещают вверх или вниз или отклоняют гидромонитор для гидроразмыва.
При слоистом сложении разрабатываемого рудного массива, при наличии прослоев пустой породы или плотных руд, не пригодных для скважинной гидродобычи, напорный водовод гидромонитора для гидроразмыва, после отработки нижележащего продуктивного слоя, поднимают на высоту, соответствующую мощности породного прослоя, а гидромонитор для гидровзвешивания опускают ниже плоскости всасывания всасывающего наконечника эрлифта, погружают в слой несвязной горной массы и обрушенную в зумпф скважины горную массу гидровзвешивают восходящим потоком воды, всасывают и поднимают на дневную поверхность эрлифтом, а при обрушении в нижнюю часть очистной камеры крепких, не размываемых кусков горной массы, гидродобычной агрегат поднимают до верхней границы слоя негабаритов и процесс добычи продолжают в том же порядке.
Плоскость всасывания всасывающего наконечника эрлифта гидродобычного агрегата постоянно засыпают слоем несвязной горной массы в нижней части очистной камеры, для использования технологии всасывания «из-под слоя», а процесс всасывания и гидроподъема предварительно гидровзвешенной восходящим потоком воды горной массы осуществляют за счет транспортирующей способности всасывающего потока воды, обеспечиваемого эрлифтом. При работе гидродобычного агрегата постоянно сохраняют баланс расходов воды в объеме гидросмеси, отводимой из скважины эрлифтом и поступающей в скважину от гидромонитора для гидроразмыва и гидромонитора для гидровзвешивания, а также из рудного массива. Для сохранения баланса водопотребления и водоотведения и обеспечения оптимальной производительности эрлифта осуществляют, при необходимости, регулируемый долив воды в добычную скважину, через отдельный безнапорный водовод, размещенный вне пульпоподъемной трубы эрлифта и постоянно поддерживают оптимальный статический уровень воды в скважине в процессе гидродобычи.
Работу процессов гидроразмыва и дезинтеграции рудного массива, гидровзвешивания, всасывания и эрлифтного подъема осуществляют независимо и взаимно регулируют их по показателям расходно-напорных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема размещения агентоподающих колонн труб и пульпоподъемной трубы в добычной скважине и схема процесса скважинной гидродобычи с гидромеханическим разрушением рудного тела гидромонитором для гидроразмыва с лопатообразным скребком и формированием очистной камеры с отклонением ствола и насадки гидромонитора для гидроразмыва подвижным клиновым отклонителем 7, на фиг. 2 показан вариант отклонения гидромонитора для гидроразмыва подвижным клиновым отклонителем 7 и за счет реакции струи боковой насадки 12.
При этом способе скважинной гидродобычи продуктивный слой вскрывают с поверхности до его нижней границы 14 добычной скважиной 1, в которой устанавливают гидродобычной агрегат 2, внутри которого размещают водовод 3 гидромонитора для гидровзвешивания 17 и воздуховод 4 смесителя 16 эрлифта гидродобычного агрегата. Безнапорный водовод для долива воды 5 и напорный водовод гидромонитора для гидроразмыва 6 размещают вне пульпоподъемной трубы гидродобычного агрегата и обеспечивают им независимое перемещение. Клиновый отклонитель гидромонитора для гидроразмыва, в виде подвижного кольца 7 устанавливают на пульпоподъемной трубе гидродобычного агрегата и перемещают вдоль него вверх или вниз с помощью тяг 8. Для увеличения силы, обеспечивающей постоянное приближение насадки гидромонитора к боковой поверхности очистной камеры, и компенсации силы реакции струи воды от насадки 9 используют насадку 12, установленную перпендикулярно насадке для гидроразмыва 9 на гидромониторе, показанную на фиг.2, и гидромонитор 9 дополнительно отклоняют за счет реакции струи боковой насадки 12. Насадка гидромонитора 9 имеет лопатообразный скребок 10 для более интенсивного обрушения руды с боковой поверхности очистной камеры 11.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Продуктивный слой вскрывают до его нижней границы добычной скважиной и устанавливают в ней гидродобычной агрегат, так чтобы всасывающий наконечник эрлифта постоянно располагался непосредственно у нижней границы продуктивного слоя. Гидроразмыв рыхлых руд начинают вертикальными, возвратно-поступательными перемещениями напорного водовода 6 при размещении насадки гидромонитора для гидроразмыва 9 на уровне плоскости всасывания всасывающего наконечника гидродобычного агрегата 2, непосредственно у боковой поверхности очистной камеры, на высоту создаваемой начальной очистной камеры - 5-7 м. Гидроразмыв рудного тела осуществляют либо отдельными заходами с периодическим вращением гидродобычного агрегата 2, либо сплошным забоем с полным его круговым вращением 15.
Скапливающуюся в нижней части очистной камеры обрушенную рудную массу 13, как в результате гидроразмыва струей воды гидромонитора 9, так и воздействия лопатообразного скребка 10, гидровзвешивают струей воды от гидромонитора для гидровзвешивания 17 и подготавливают к процессу всасывания эрлифтом, воздуховод 4 которого размещают в пульпоподъемной трубе, а смеситель 16 размещают непосредственно у плоскости всасывания эрлифта. Гидросмесь, полученную в процессе гидровзвешивания несвязной горной массы в зумпфе добычной скважины, всасывают и поднимают эрлифтом на дневную поверхность. После образования начальной сводообразной очистной камеры клин-отклонитель 7 поднимают на 8-10 м, где размещают насадку гидромонитора 9, и процесс размыва повторяют вертикальными, возвратно-поступательными движениями напорного водовода, тем самым разрушая свод и боковую поверхность очистной камеры.
Таким образом, применение предлагаемого способа скважинной гидродобычи повышает эффективность гидроразмыва и разуплотнения продуктивных отложений, обеспечивает создание очистной камеры большого диаметра по всей мощности продуктивного слоя в затопленном забое, обеспечивает перевод несвязной горной массы в состояние гидросмеси и ее эффективное всасывание, обеспечивает баланс водоотведения и водопотребления работы эрлифта и максимальную его производительность при гидроподъеме гидросмеси на дневную поверхность, объединив все технологические процессы скважинной гидродобычи в единый непрерывный, раздельно регулируемый по процессам технологический цикл, что позволяет повысить эффективность технологии скважинной гидродобычи мощных массивов рыхлых и слабосцементированных неоднородных по прочности продуктивных отложений на больших глубинах залегания.
Источники информации
1. Британ И.В., «Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых», Патент РФ №2301336, Е21 с 45/00, 2007 г.
2. Шпак Д.Н. «Устройство для добычи полезных ископаемых через скважины», Ас СССР, №617584, Е21 с 45/00, 1978 г.
3. Шпак Д.Н., Колмогоров А.П., Шлыков Л.А. и др. « Устройство для скважинной гидродобычи», Ас СССР №SU 1054545 А, Е21 с 45/00, 1983 г.
4. Петриченко В.П., Стрельцов В.И., Балашов А.Г., Колесников В.И. «Способ образования камеры в скважине», Патент РФ №2242612, Е21с 45/00, 2004 г.