Скважинная гидродобыча из неоднородных залежей полезных ископаемых

© И.В. Британ, 2003

УЛК 622.234.5

И.В. Британ

СКВАЖИННАЯ ГИЛРОЛОБЫЧА ИЗ НЕОЛНОРОЛНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1 Скважинная гидродобыча (СГД) - технология для зер- нистых горных пород.

Сейчас СГД может рассматриваться в практическом плане только как технология для зернистых полезных ископаемых, расположенных в погребенных залежах. Так как все горные породы в недрах или уплотнены, или сцементированы, то их извлечение способом СГД может быть эффективно в той степени, в какой они способны дезинтегрировать, переходя в дисперсную массу с размером частиц, близким к структурным характеристикам исходного материала. Такое вероятно, если мономине-ральные или полиминеральные зерна физически обособлены на столько, чтобы разрушение пород при механических воздействиях происходило по границам зерен. По сути - это процесс дезагрегации, возможный в следующих случаях:

• полезное ископаемое уплотнено, цемент отсутствует, силы межзернового сцепления существенно ниже сил внутреннего сцепления в зернах полезного ископаемого;

• полезное ископаемое

сцементировано, цемент пленочный или контактовый (соприкосновения), когда прочность соединений ниже прочности соединяемых частиц;

• полезное ископаемое

сцементировано, цемент любого типа (за исключением, по-

видимому, базального), существенно менее прочный, чем объединяемые зерна.

Дезагрегация таких горных пород может происходить или в процессах самообрушения и принудительного сдвижения, или в статическом массиве (в зажатой среде) при достаточно мощных волновых и иных проникающих воздействиях.

Во всех случаях, когда полезное ископаемое сцементировано, цемент по прочности сопоставим с полезным ископаемым, а его количество обеспечивает достаточную гомогенизацию породы, разрушение будет происходить не по границам зерен, а по слабым разделам внутри массива (кливаж, трещины, слоистость и т.п.), образуя кусковой материал. Регулировать размер кусковато-сти в условиях скважины, соблюдая ограничения, связанные с малыми проходными каналами пульпоподемных систем, практически невозможно, если процесс разрушения не рассчитан на дробление. Но процесс дробления связан с необходимостью достаточно плотной сети центров воздействий (для СГД - это сеть скважин) и большой энергетикой, а поэтому в большинстве случаев вряд ли целесообразен с экономических позиций.

Таким образом, геотехнологические свойства и принадлежность полезного ископаемого к тому или иному геотехно-

Примеры геотехнологических колонок для месторождений: А -Шемраевского, Б - Гостищевского, В - Яковлевского.

1 - переотложенные железные руды скальные; 2-4 - богатые железные руды остаточные; 2 - каменистые (КР), 3 -принудительно сдвигаемые самоизмельчающиеся (ПР), 4 - самообрушающиеся са-моизмельчающиеся (СР); 5 - железистые кварциты; 6 - внутрируд-ные сланцы.

логическому типу определяются, в конечном счете, структурными особенностями, прочностью и количеством цемента, характером отдельностей в массиве и соотношениями между силами сцепления на границах отдельностей. В то же время отсутствие прямой зависимости от минерального состава свидетельствует о принципиальной возможности использовать СГД при добычи любого минерального сырья.

К наиболее благоприятным для использования технологии скважинной гидродобычи относятся погребенные россыпи всех типов и месторождения кор выветривания, в том числе преобразованные.

2. Неоднородность как естественное состояние залежей полезных ископаемых

Залежи полезных ископаемых, как и другие геологические объекты, являются продуктом геодинамических процессов. Непрерывная смена геодинамических режимов превращает геологическую историю существования любой залежи в непрерывную цепь преобразований. Как правило, первичные неоднородности (слоистость в осадках,

дифференциация магматических тел и т.п.) создают лишь общий фон, на котором развиваются последующие изменения. Все преобразующие процессы, будь то диагенез осадков, метаморфизм, разрывные нарушения, гипергенез или другие, могут подчеркивать первичное строение горных пород. Однако, будучи по своей природе неравномерными, а зачастую и многоэтапными, они создают вторичные зоны, области и блоки, усложняя структуру залежей.

Процесс СГД чувствителен к физическому состоянию разрабатываемых полезных ископаемых. Это обусловлено ограниченными возможностями применения мощных технических средств, необходимостью производить любые воздействия дистанционно с точечного забоя, совмещением в ограниченном объеме всех технологических процессов добычи и др. Поэтому для организации эффективного производства технологические регламенты должны исходить из максимально возможного использования природных особенностей эксплуатируемых месторождений.

Хорошим примером неоднородной залежи может послужить Шемраевское месторождение* богатых железных руд (КМА), где впервые была реализована скважинная гидродобыча с больших глубин (600-800 м). Это остаточное месторождение линейной коры выветривания, сформировавшееся в рифее-нижнем палеозое на палеоповерхности докембрий-ских железистых кварцитов. Рудная залежь, имеющая в центральной части вертикальную мощность до 400-415 м, перекрыта осадочной толщей фанерозоя.

Руды унаследовали структуру субстрата. В свою очередь, кварциты были продуктом метамор -физма морских ритмических осадков, строение которых определялось чередованием в разрезе слоев с различными содержа-

ниями рудных минералов и силикатов. Унаследованные неоднородности проявляются в реликтовой полосчатости; в ритмичном чередовании горизонтов руд, различающихся по вещественному составу; в присутствии невыдержанных прослоев глубоко измененных сланцев; в блоковом строении, обусловленном приуроченностью линейных кор выветривания к зонам разрывных нарушений.

Неравномерность процессов окисления определило появление вертикальной зональности. Руды претерпели гипергенные изменения, которые не только изменяли состав, но в зависимости от времени, места и окислительновосстановительного потенциала процессов приводили или к вторичной цементации, или к разуплотнению различных участков. В кровле образовалась зона карбо-натизации, сложенная скальными и полускальными рудами. Гипер-генный метасоматоз был не только важнейшим фактором литификации, но на поздних стадиях мог формировать зоны неустойчивых руд.

В итоге Шемраевская залежь представляет из себя сложную систему блоков. Блоки, в свою очередь, имеют структуру «слоеного пирога». Верхней «коркой» служат карбонатизированные руды, а нижней - кварциты. Внутри располагаются моноклинально залегающие горизонты чередующихся мартитовых, гид-рогематит-мартитовых, желез-нослюдково-мартитовых, гидро-гетит-мартитовых, шамозит-мар-титовых, гетит-гидрогетитовых и других разновидностей руд, а также внутрирудных сланцев. Зерна главного рудного минерала - мартита цементируются шамозитом, кальцитом, сидеритом, бемитом, гиббситом, гидрогематитом, каолинитом, гидрослюдами, гидрогетитом. Цемент может быть мономинеральным, но обыч-

но имеет сложный состав, соответствующий сложности формирования руд в тех или иных зонах и горизонтах. Многообразны типы цементов: поровый, выполнения, коррозионный, контактовый, пленочный и смешанный. Тип цемента, его состав и объем, а также пористость руд в значительной мере определяют физические, в том числе горно-технологические, свойства руд.

Необходимо подчеркнуть, что в роли цемента могут выступать, в том числе, железосодержащие минералы, а поэтому высокое содержание железа в рудах не всегда является признаком слабой цементации. С другой стороны, руды с относительно невысоким содержанием железа при цементации зерен мартита каолинитом, гидрослюдами или смесью этих минералов с гидрогетитом и шамозитом могут быть слабо сцементированными. В свое время эти особенности не были учтены, что привело к ошибкам в оценке условий для СГД. Не обоснованными следует считать любые прогнозы по пригодности и запасам руд для СГД, которые делаются без учета особенностей цементации.

Для Шемраевского месторождения на основе минералогопетрографических и химикоаналитических исследований, определений физико-механических свойств и опытной эксплуатации были выделены природные и гео-технологические типы руд. Все природные разновидности субраз-дельнозернистых и слабо литифи-цированных руд отнесены к пригодным для СГД. Первые залегают внутри относительно монолитных блоков, между горизонтами шамо-зит-мартитовых руд (реже -сланцев) и зонами инфильтраци-онной цементации. Вторые - характерны для зон интенсивной гидратации; они имеют очень высокую пористость (до 45-50%). Не пригодны для СГД сцементирован-

*Более подробно характеристика месторождения, анализ генезиса неоднородностей в рудном массиве, оценка влияния последних на состав геотехнологических типов руд и на выбор систем разработки изложены в статьях автора;

1. Локальная геодинамика и неоднородности в рудных массивах. В сб. «Вопросы проектирования, эксплуатации технологических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», ч.1 Горнорудное производство. Старый Оскол, 1999;

2. Проблемыы геотехнологической классификации и выделение залежей богатых железных руд КМА, пригодных для скважинной гидродобычи. Горный информационно-аналитический бюллетень, № 9, М., изд-во МГГУ, 2001;

3. О факторах влияющих на выбор систем разработки при скважинной гидродобыче. Горный информационноаналитический бюллетень, №1, - М. изд-во МГГУ, 2003.

ные руды, в которых преобладает цемент карбонатный и шамозито-вый.

Опытная эксплуатация показала, что выделенным группам природных типов руд, соответствуют три геотехнологических типа (рисунок): принудительно сдвигаемые самоизмельчающиеся руды (ПР), самообрушающиеся и самоизмельчающиеся руды (СР), каменистые руды (КР). В связи с тем, что среди КР имеются две генетических разновидности, выделяется два подтипа: карбонатизированные

(КРК) и шамозитсодержащие (КРШ). На последние также может накладываться карбонатиза-ция. Относительная простота колонок, изображенных на рисунке для Гостищевского и Яковлевско-го месторождений, объясняется, прежде всего, недостатком данных, которые были получены при детальных разведках месторождений в предшествующие годы. Полные анализы руд имеются лишь для групповых проб, объединяющих интервалы 10-50 (до 90) м.

3. Неоднородность как фактор, регламентирующий процессы СГД

Неоднородности залежей полезных ископаемых влияют на всю систему СГД, начиная от конструктивных особенностей эксплуатационных скважин и кончая системой разработки.

Очевидно, что различные гео-технологические типы требуют применения различных технологических приемов сдвижения горной массы и доставки ее в область добычи, а также соответствующего скважинного гидродобычного оборудования. Но особенно важны и многообразны влияния неоднородностей, вызванные присутствием не извлекаемых каменистых полезных ископаемых внутри залежей и в их кровле.

Прежде всего, возникают проблемы, связанные с необходимостью избежать существенных потерь в недрах. Поэтому система разработки должна позволять последующее доизвлечение полезных ископаемых, не пригодных для СГД.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Устойчивые горизонты и контрастные физико-геологические границы вызывают неравномерность сдвижения в горных массивах и в отдельных камерах, что может приводить к образованию временных полостей и зависанию консолей, к неуправляемым обрушениям, сопровождающимся разрушением колонн труб. Наиболее опасной в этом отношении является граница между горизонтами полезных ископаемых, пригодных для СГД, и кровлей или мощными горизонтами, сложенными каменистыми разновидностями. Например, на Шемраевском месторождении обрушения последних прекращали добычной процесс, разрушая нижнюю часть колонн труб и перекрывая забой прочным обломочным материалом.

Кроме того, прочные прослои, попадая в зону добычи, превращаются в устойчивый обломочный материал, который накапливается в нижней части камер, поднимая забой. При работе гидродобычного оборудования в завале, что требуется при массовом обрушении, обломочный материал может образовывать своеобразный фильтр, затрудняющий проникновение в зону добычи мелких фракций и заставляющий переходить на вышележащий горизонт с неизбежной потерей продуктивности скважин.

Физические неоднородности, как правило, влекут за собой различия в водно-физических свойствах. Горизонты или зоны с низкими фильтрационными характеристиками могут перемежаться с высокопроницаемыми. Последние, чаще всего, представляют собой прочные трещиноватые горные породы. Это вызывает, в частности, сложности для применения в технологии добычи эффектов фильтрационных потоков и высоконапорных воздействий.

Соотношение в залежах геотехнологических типов полезных ископаемых, пригодных и не пригодных для из влечения способом СГД, оказывает непосредственное влияние на эффективность добычи. В неблагоприятных случаях это

может приводить к нецелесообразности отработки залежей и месторождений.

4. Выводы

1. Возможность осуществления СГД и ее эффективность, а также системы разработки с использованием этой технологии находятся в прямой зависимости от естественных неоднородностей разраба-тышаемых залежей полезных ископаемых.

2. Требования к изучению полезных ископаемык, для которых возможно использование СГД, должны быть уже на ранних стадиях геологоразведочных работ существенно скорректированы по отношению к требованиям, применяемым в процессе изучения месторождений для традиционных способов разработки. При оценках пригодности месторождений для СГД необходимо располагать детальными минералого-петрогра-фическими и химическими характеристиками залежей сплошных разрезов, опробованных с необходимой степенью детальности. Требуются данные о структуре месторождений, в том числе о наличии в залежах внутренних неоднородностях, их генезисе и размещении в пространстве. Необходимо получить физико-технические характеристики, определяющие способность природных типов полезного ископаемого к дезинтеграции (дезагрегации).

3. Еще на стадии предварительной разведки следует выполнять опытные работы по добыче (опыиное опробование) с целью получения геотехнологических характеристик всех разновидностей полезного ископаемого, проводить моделирование процессов СГД и оценивать возможные системы разработки.

4. Материалы геологоразведочных работ, выполненные для традиционных способов разработки, как правило, не пригодны для уверенной оценки месторождений с позиций СГД; они могут служить лишь основанием для выбора объектов специального изучения (доизучения).

Британ И.В. -НИИКМА «Гипроруда».

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

ископаемых Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 12 мин.

Дата печати: 09.11.2008 18:42:00

При последней печати страниц: 3

слов: 2 146

знаков: 12 237

БРИТАН

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB12~03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do Скважинная гидродобыча из неоднородных залежей полезных

Николай Антонович

01.10.2003 11:21:00 5

01.10.2003 11:27:00 Гитис Л.Х.