Проблемы рационального использования скважинной гидродобычи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Россия.

Проблемы рационального использования скважинной гидродобычи

Гетьман Н.В, Мининг С.С

В настоящее время ведущие ученые передовых горнодобывающих стран, по существу, пришли к однозначному выводу о том, что в дальнейшем научно-технический прогресс в области кардинального повышения производительности труда в горном производстве следует связывать с применением геотехнологий, которым, несомненно, принадлежит будущее. На современном этапе к геотехнологиям относят: подземное выщелачивание, растворение, вылавливание и гидравлическую добычу полезного ископаемого, а так же подземную газификацию. Пожалуй, наиболее интенсивно развивается технология скважинной гидродобычи (СГД), которая успешно применяется на ряде горнодобывающих предприятий, как в нашей стране, так и за рубежом.

Способ СГД основан на вскрытии полезного ископаемого добычными скважинами(рис 1), переводом в подвижное состояние на месте его залегания и выдаче рудной массы на поверхность в виде гидросмеси. Разрушение продуктивной толщи достигается путем воздействия гидромониторной струи. Однако, при работе струи в затопленном пространстве ее энергия быстро гасится на преодоление сопротивления подземных вод и рабочего агента, заполняющих добычную камеру. В этих условия радиус разрушающего действия гидромониторной струи обычно не превышает 0.7м от выходного отверстия сопла. Поскольку в большинстве случаев продуктивная толща неоднородна и представляет собой переслаивание руд различной прочности, происходит размывание наименее прочных рыхлых руд, крепость которых не превышает 3 Мпа.

Метод СГД в настоящее время является единственным способом отработки погребенных россыпей залегающих в сложных горно-геологических условиях. Принципиально отличается от привычных традиционных методов добычи твердых полезных ископаемых и обладает рядом преимуществ:

-дешевизна;

-маленький срок организации добычного участка;

-быстрая окупаемость инвестиций;

-высокое качество получаемого продукта;

-большая производительность при небольшом штате персонала;

-высокая безопасность работ;

-отсутствие негативного воздействия на окружающую среду;

-добыча в сложных горных и гидрогеологических условиях;

-простота технологического оборудования;

-низкая энергоёмкость

Но помимо преимуществ у СГД так же имеются и недостатки:

-Возможность разработки только слабых руд;

-Низкая степень извлечения;

-Низкий КПД струи;

-Негативное воздействие на горизонты;

-Сложная методика подсчета запасов СГД;

-Должна проводиться специальная разведка ;

Разработка технологии и технических средств СГД ведется с 1988 года. В ходе работ обеспечивалась последовательная проверка технологических схем снарядов, технологической оснастки, методов и приемов ведения добычных работ с отбором и дальнейшими испытаниями наиболее эффективных из них. Вместе с тем, до настоящего времени существующая технология СГД, как и всякая другая в период ее внедрения требует постоянного совершенствования и дальнейшей доработки, особое значение при этом имеет работа над процессами разрушения более прочных руд, которые могут быть осуществлены нетрадиционным способом.

До сих пор основным средством разрушения руд при СГД является применение свободной затопленной водяной струи. Однако это средство разрушения в затопленном пространстве не является достаточно эффективным. Анализ полученных зависимостей показывает, что потери энергии в свободной затопленной струе весьма интенсивны.[2] Поэтому в подводных размывающих устройствах-гидромониторах размыв грунта осуществляется в непосредственной близости от насадки. Однако область применения указанного решения также ограничена в связи с разрушением выдвигаемых конструкций в процессе разрушения разрабатываемого массива. Отмеченное обусловило необходимость применения конструкции гидродобычного снаряда с выдвижным гидромонитором с целью приближения сопла к стенкам (очистной камеры). В процессе проведенных работ трудности водоструйного разрушения состояли в том, что размывались и поднимались на поверхность только руды, имеющие прочность на одноосное сжатие менее 3 МПа, хотя большая часть руд имеет этот показатель значительно выше. Кроме того, обрушение по происходило в форме крупных обломков которые не могли быть подняты на поверхность. После этого дальнейшая гидродобыча останавливалась из-за наличия на забое крупных обломков крепкой руды. Достигнутые при этом производительность гидродобычи количество добытой из одной скважины руды и параметры образовавшейся полости добычнои камеры имели ограниченные размеры и были недостаточными для промышленной разработки месторождения. Исходя из вышеизложенного, к основным направлениям совершенствования технологии СГД следует отнести разработку эффективных способов дезинтеграции прочных руд.

Для устранения указанного недостатка технологии СГД разработана новая более прогрессивная технология гидродобычи. Было предложено обычный (традиционный) гидродобычный комплекс дополнить сооружением водопонижающей скважины. Скважина для осушения продуктивного пласта или залежи закладывается на расстоянии от добычной, с таким расчетом, чтобы разрабатываемая толща в рабочей зоне камеры оказалась осушенной. В результате работы водопонижающей скважины уровень подземных вод должен быть снижен до почвы разрабатываемого пласта, и во всех случаях находиться ниже положения гидромонитора. В осушенной толще полезного ископаемого создаются условия для эксплуатации гидромонитора в воздушной среде.

Удаление водопонижающей скважины от добычной зависит от фильтрационных свойств разрабатываемого пласта(коэффициента фильтрации Кф), величины заглубления скважинного водоподъемного насоса и времени его работы до начала включения гидромонитора.

Дренажные воды накапливаются и отстаиваются в водосборнике, устанавливаемом на поверхности в непосредственной близости от гидродобычной скважины. Дренажные воды затем используются в качестве рабочего агента и обеспечения работы гидроэлеватора.

В реальных гидрогеологических условия при КФ ? 5 м/сут, водопонижающая скважина может быть удалена от гидродобычной на 5 и более метров. Наиболее эффективно применение водопонижение в СГД в условиях, когда продуктивная толща подстилается хорошо проницаемыми отложениями, коэффициент фильтрации которых не ниже проницаемости продуктивного пласта. При наклонном залегании продуктивного слоя, водопонижающая скважина размещается ниже по падению пласта(залежи) полезного ископаемого. скважина гидродобыча водопонижающий

Для эффективного использования водопонижающих скважин предлагаются две технологические схемы размещения скважин добычного комплекса: линейная и кольцевая, приведенные на рис 2. При линейной схеме водопонижаюцие скважины располагают между добычными. Линейный ряд скважин вытянут по простиранию пласта и является скользящим. По кольцевой схеме расположения добычных скважин, водопонижающую скважину закладывают в центре кольцевой установки с расчетом, чтобы одна водопонижающая скважина обеспечивала работу всех добычных скважин. При использовании предлагаемой технологии должен выдерживаться следующий режим работы добычного комплекса. Водопонижающая скважина вводится в эксплуатацию до включения в работу гидромониторного устройства. При этом дебит откачки и производительность насоса подбираются с таким расчетом, чтобы требуемое понижение уровня воды в продуктивном пласте можно было достигнуть не более чем за одни сутки. После снижения уровня подземных вод в рабочей зоне до почвы продуктивного пласта или ниже положения сопла гидромонитора, что не сложно выполнить в разрабатываемых пластах большой мощности или в крутопадающих залежах, включают гидромонитор. При работе гидромонитора в подготовленной таким образом камере эффективный радиус разрушающего действия струи увеличивается до 10 и более метров.

Учитывая вышеизложенное, с уверенностью можно утверждать, что совершенствование операции по разрушению рудной массы позволит значительно повысить производительность при разработке месторождений способом СГД, оправдать сделанные для проведения экспериментальных работ инвестиции, а так же существенно приблизить рассматриваемую геотехнологию к промышленному уровню разработки.

При СГД возникают серьезные проблемы, связанные с учетом влияния физико-механических свойств руды, ее гранулометрического состава, проявлений геомеханических процессов, обводненности и других факторов на результаты добычи [7]. По сути, эксплуатационные скважины при СГД - это «черный ящик», на выходе которого объективно и надежно устанавливаются лишь глубина разработки, количество и качество добываемой руды. Поэтому целесообразно в основу разведки месторождений, предназначенных для эксплуатации СГД, положить показатель продуктивности Q, равный выходу металла в добытой рудной массе из 1 п. м. рудной части скважины

Q = Дс / l_р,

где Д - количество руды, добытой из скважины, т;

с - содержание железа в руде, доли единицы;

l_р - длина рудного интервала скважины, м.

Рассчитывается бортовая продуктивность, обеспечивающая безубыточную эксплуатацию скважины. По данным разведки оценивается продуктивность каждой разведочной скважины, производится оконтуривание запасов по бортовой продуктивности и подсчет запасов руды, пригодных для СГД. В основе оптимизации плотности разведочной сети принимается не содержание металла и (или) физико-механические свойства руд, а продуктивность скважин.

В процессе подъема рудной пульпы из очередного слоя плотность ее после периода стабильной работы начинает снижаться за счет сокращения доли мелких фракций руды. В пределе может оказаться, что из скважины будет откачиваться чистая вода. Процесс разжижения пульпы, или «разубоживания» водой, в первом приближении может быть описан выражением [7]:

r_i = 1 - exp[-(Д_i - Д₁)],

(1)

где r_i - показатель разжижения пульпы;

Д₁ - количество руды, выданной через скважину из очередного слоя, за период стабильной работы, т;

Д_i - количество руды, выданной на данный момент времени (Д_i Д₁), т;

- эмпирический показатель, характеризующий процесс разжижения пульпы («разубоживания» водой), т^-1.

На основании экономических расчетов можно определить минимально допустимую минимальную плотность рудной пульпы п_пм, когда еще оправдывается дополнительный расход электроэнергии и сжатого воздуха.

В заключение необходимо отметить, что технология скважинной гидродобычи практически работает уже не одно десятилетие. Технология чрезвычайно привлекательна тем, что для добычи полезных ископаемых не требует создания карьеров или проведения дорогостоящих и опасных для людей подземных горных работ. Несомненно, область применения технологии скважинной гидродобычи должна расширяться.

Список литературы

1. В.И. Брылин. «Бурение скважин специального назначения»: Томск, Изд-во ТПУ 2006

2. Бройд И.И. «Струйная геотехнология». 2004

3. Аренс В.Ж. «Физико-химическая технология» 2001

4. Колестников В.И. Стрельцов В.И. «Скважинная гидродобыча железных руд» 2006

5. Пономаренко Ю.В, Петричеко В.П «Скважинный гидродобычной комплекс» 2005

6. Болотских Н.С. Пономаренко Ю.В. Чуйко В.М «Справочник по осушению

7. Мининг С.Э, Мининг С.С «Пути совершенствования рационального гидропользования при скважинной гидродобыче. Маркшейдерский вестник №1-2005

Рис. 2. Технологические схемы размещения скважин гидродобычных комлексов.

Размещено на Allbest.ru