СПОСОБ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
OPEN DEVELOPMENT METHOD OF MINERAL RESOURCES DEPOSITS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых, преимущественно трубкообразных малообъемных алмазоносных кимберлитов, или доработке корневой части месторождений алмаза после выемки подземным способом, а также при выбуривании каменных колонн для зданий и валов для бумагоделательных машин или проходке стволов шахт.
Известен способ добычи каменного сырья выбуриванием керна большого диаметра в виде цилиндрических оболочек коаксиальным колонковым набором [1]. В этом способе благодаря образованию в центре керна полости значительного размера для отделения керна от массива возможно размещение в зоне отрыва керна устройства с отрезным резцом или устройства подачи под высоким давлением абразивной аэросмеси, которые при вращении образуют отрезную щель в керне, а также других крупно- и малогабаритных устройств. Такое пространственное разнесение породоразрушающих буровых элементов и устройства по отделению керна, в свою очередь, позволяет уменьшить ширину торца буровой коронки, следовательно, силовые и другие энергетические параметры разрушения породы. Однако значение всего этого снижается необходимостью бурения в центре каждого керна скважины значительного диаметра и узкой областью применения этого способа.
Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых выбуриванием керна, который может осуществляться различными устройствами для бурения колонковым способом скважин большого диаметра (далее - диаметром D), например механическим колонковым буром [2].
В этом способе сначала обычным методом проходят вспомогательную скважину малого диаметра, затем в эту скважину вводят устройство для отрыва керна и одновременно колонковым буром проходят скважину большого диаметра. Отделение керна проводят клиньями, направленными перпендикулярно к оси керна и забиваемыми ударом колонны буровых труб.
Основное достоинство этого способа заключается в том, что в объеме керна кимберлита большого диаметра остаются в сохранности алмазы. Кроме того, так как керн отрывается только от воздействия во вспомогательной скважине, то появляется возможность бурения скважины большого диаметра коронкой с минимальной шириной ее торцовой части, что позволяет уменьшить нагрузку на колонковую трубу и коронку.
Основным недостатком данного способа добычи полезных ископаемых является необходимость бурения в центре каждой выемочной скважины специальной вспомогательной скважины с установкой устройства для отделения керна от массива. К недостаткам следует также отнести невозможность применения работоспособных и простых по конструкции, но зачастую крупногабаритных устройств по подрезке керна. Кроме того, при выбуривании керна крепких упругопластичных пород, трудноразрушаемых ударом, керноотрывающее устройство дополнительно размещают по наружному диаметру скважины, что резко увеличивает ширину забоя скважины и уменьшает скорость бурения.
Таким образом, для устранения этих недостатков и достижения технического результата по повышению производительности выбуривания кернов разных руд могут быть поставлены следующие задачи:
- исключение из цикла выбуривания керна большого диаметра операции его отделения от массива пород;
- предварительное образование вокруг одной из выемочных скважин перпендикулярной к ее оси круговой отрезной щели (далее - отрезной щели) или так же направленной системы трещин (далее - системы трещин) в массиве пород на расстояние диаметра буримых скважин.
Эта задача может быть решена следующим образом. Согласно предлагаемому способу разработки полезных ископаемых, включающему вскрытие полезного ископаемого, бурение вспомогательных скважин малого диаметра по центру керна и выемочных скважин с выбуриванием керна большого диаметра, его отделение от массива, подъем на поверхность и извлечение из колонковой трубы, сначала на плоскости выемочного поля намечают правильные шестиугольники и круги с центром на вершинах и в середине этих шестиугольников, при этом стороны шестиугольников и диаметр кругов равны диаметру выемочных скважин, а каждый внешний круг одного шестиугольника примыкает к трем кругам двух соседних шестиугольников по схеме «плотной упаковки», затем в середине шестиугольников колонковым способом с предварительным бурением вспомогательной скважины осуществляют выбуривание кернов центральных выемочных скважин, из полости которых на глубине выбуривания кернов внешних выемочных скважин образуют сплошную систему трещин, направленных перпендикулярно к оси скважин, или прорезывают так же направленные отрезные щели диаметром, равным не менее 2.4 диаметра выемочных скважин, после этого с центром на вершинах шестиугольников проводят выбуривание кернов остальных шести выемочных скважин, расположенных по периметру шестиугольников.
При реализации предлагаемого способа добычи проблемным является срыв керна выемочной скважины в середине шестиугольника. 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 проблема, однако сам керн может разрушаться от смятия под кернозахватным устройством, нарушая условия передачи усилия отрыва на керн. Поэтому необходимо одновременное действие разрушающих сил изнутри и снаружи керна, что сделает возможным отрыв керна кимберлита диаметром и более 2 м.
В настоящее время известно много керноотделяющих устройств, как отдельно устанавливаемых в полости вспомогательной скважины, так и совмещенных с буровой коронкой и колонковой трубой. Но для выбуривания керна большого диаметра последнее нецелесообразно, так как в этом случае увеличивается ширина торца коронки, что требует значительных осевых нагрузок и момента вращения при бурении, вызывающих неоправданное увеличение веса бурового станка. При наличии цилиндрической полости в центре керна по ней для его срыва можно передавать различные виды энергии, которые будут суммироваться с усилием отрыва и моментом кручения, передаваемым керну через керноудерживающее устройство бурового станка. В этом плане можно использовать различные пильные устройства, расширители скважин, нагревательные устройства, гидроразрыв, термические напряжения при нагреве и даже энергию микровзрывов. 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.
Новым в предлагаемом изобретении является наведение из полости предварительно пробуренной одной из выемочных скважин системы трещин или прорезывание отрезной щели в массиве горных пород вокруг этой скважины и последующее бурение соприкасающихся с ней и между собой других выемочных скважин. Благодаря этому для последних шести скважин исключается операция срыва керна, что значительно упрощает подъем керна, а ширина торца коронки будет зависеть только от прочности колонковой трубы и корпуса коронки. Наиболее простым решением для прорезывания горизонтальной круговой щели может быть использование устройств по подрезке керна с соответствующей переустановкой их режущих органов, например, по патентам России №2325526, 2211135, 819301 и др. При наведении системы трещин вокруг одной из выемочных скважин гидроразрывом в условиях многолетнемерзлых пород применяют незамерзающие жидкости, предварительно прорезав начальные направляющие щели.
При бурении с очисткой забоя водой и с точки зрения сохранения устойчивости стенок пробуренных скважин, предотвращения искривления оси скважины и безопасного ведения добычных работ следует проводить закладку скважин сразу, как только будет поднят последний керн или прорезана последняя щель. При этом в процессе бурения глубокой примыкающей скважины столбик закладки должен быть устойчивым, что требует применения твердеющей закладки, хотя бы по ее внешнему контуру. Простые расчеты показывают, что объемы целиков достигают до 9 процентов от всего объема добываемой залежи, поэтому необходимость их выбуривания в каждом конкретном случае решается отдельно.
Исходя из вышеизложенного можно заключить, что предлагаемый способ добычи месторождений полезных ископаемых по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- уменьшается в 7 раз количество буримых вспомогательных скважин в центре керна при отсутствии дополнительных устройств, уширяющих ширину кольцевого забоя скважины большого диаметра;
- исключается из цикла выбуривания керна 86% скважин технологически сложная и длительная операция отделения керна от массива;
- выбор устройств по наведению системы трещин или прорезыванию отрезной щели в массиве горных пород вокруг центральной выемочной скважины мало ограничивается их размерами;
- отпадает необходимость бурить вспомогательную скважину колонковым способом, так как получить достоверную информацию для определения места (глубины бурения) и способа отделения керна внешних скважин от массива, выбора типа коронки и оптимизации параметров режима бурения коронкой большого диаметра можно по керну центральной основной скважины.
Из анализа известных способов разработки трубкообразных и других месторождений, а также выбуривания каменных цилиндрических изделий можно сделать вывод, что данное предложение обладает новизной и существенными отличиями от известных способов.
На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа разработки; на фиг.2 - выбуривание керна центральной выемочной скважины; на фиг.3 - нарезание щелей в массиве залежи вокруг центральной скважины; на фиг.4 - разрез фиг.3 по А-А; на фиг.5 - закладка центральной выемочной скважины; на фиг.6 - выбуривание керна внешних выемочных скважин.
Способ осуществляется следующим образом. После вскрыши месторождения на плоскости выемочного поля намечают правильные шестиугольники 1 со сторонами, равными диаметру D выемочных скважин, а на вершинах и середине шестиугольников - соприкасающиеся круги 2 диаметром, равным D (фиг.1). На фиг.1 шестиугольник с кругами выделен как элемент сплошного покрытия выемочного поля. Последующие шестиугольники располагают таким образом, что внешний круг одного шестиугольника примыкает к трем кругам двух соседних шестиугольников по схеме «плотной упаковки». Затем в середине шестиугольника бурят вспомогательную скважину 3 на всю глубину залегания полезного ископаемого, последовательно выбуривают керн 4 из центральной выемочной скважины 5 диаметром D (фиг.2).
Отрыв керна центральной скважины осуществляют из полости вспомогательной скважины, чтобы внешние и центральные скважины бурились коронками одного типа без устройств по отделению керна от массива. Для этого гидравлическим, механическим или пескоструйным устройством 6 делают между плотиком и залежью систему трещин или прорезывают круговую щель 7, подрезающую целики, образующиеся между двумя внешними кругами одного шестиугольника и одним кругом другого. Подымая наверх устройство прорезывают нужное количество щелей (фиг.3, 4).
Вслед за этим для устранения искривления внешних скважин и обвала стенок скважины в зоне трещиноватости, а также для обеспечения безопасности ведения работ, центральную скважину заполняют самотвердеющей закладкой 8 (фиг.5). Причем самотвердеющую закладку применяют преимущественно по периметру скважин, а ее центральную часть заполняют пустой породой 9. После этого выбуривают керны 10 из остальных шести внешних выемочных скважин 11 с центром на вершинах шестиугольников (фиг.6). При этом подъем керна не представляет трудностей, так как все керны заблаговременно подрезаны. Но после подрезки остается незначительный целик 12 (ножка керна), ограниченный контуром 13 внешних выемочных скважин 11 и контуром подрезных щелей 7, срывать керн необходимо, подымая колонковую трубу с вращением. После подъема последнего керна из скважины ее полость тут же по периметру заполняют самотвердеющей закладкой 8, а ее центральную часть заполняют пустой породой 9.
Простые расчеты, проведенные аналогично изложенным в [2], показывают, что для частичной подрезки межскважинных целиков 14 с оставлением ножек у выступающих углов диаметр круговой щели 7 нужно принимать не более 2.4D, а для полной подрезки целика - не менее 2.6 D. В последнем случае максимальный диаметр круговой щели ограничивается необходимостью сохранения ножки 12 керна выемочных скважин. Необходимость оставления ножки вызывается тем, что не только уменьшается объем разрушения при подрезке, но и обеспечивается устойчивость керна в конце цикла бурения.
Если при подъеме колонковой трубы с вращением керн легко отрывается, что может быть при бурении не очень крепких пород, то подрезают щель диаметром 2.4D. В этом случае у межскважинных целиков остается незначительная часть по углам неподрезанной, которая легко ломается при подъеме. Но при этом увеличивается сечение ножки керна, что может усложнить его срыв. Поэтому уточнение диаметра отрезной щели является вопросом разработки конкретного месторождения полезного ископаемого.
Источники информации
1. Егоров Д.Е. Преимущества выбуривания цилиндрических изделий из камня на карьерах и способы их отделения от массива горных пород [Текст] / Д.Е.Егоров // Записки Горного института. Т.167. Часть 1. - 2006. - С.10-12.
2. А.с. 857431 СССР, класс Е21В 25/00. Устройство для отделения керна [Текст] / В.В.Чубароув, В.В.Чуносов (СССР). - №2723301/22-03; заявл. 06.02.1979; опубл. 23.08.1981, бюл. №31. - 4 с.; ил.