Скважинная гидродобыча полезных ископаемых

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет РПМ

Кафедра "Подземная разработка пластовых месторождений"

Курсовой проект

По дисциплине: "Геотехнологические способы разработки месторождений полезных ископаемых"

Тема: Скважинная гидродобыча полезных ископаемых

Выполнил: ст. гр. ТПУ 1-09

Мирзахмедов И.А.

Проверила: Федорова М.А.

Москва 2013



Содержание

1. Введение

2. Геология

3. Тектоника

4. Гидрогелогические условия месторождения

5. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых в растворимых породах

6. Способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого

7. Струеформирующее устройство гидромонитора

8. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых

9. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых при мощных обводненных месторождений

10. Скважинный гидродобычной агрегат



1. Введение

Полезные ископаемые можно добывать, не строя шахт и карьеров. Способы такой добычи разрабатывает геотехнология -- новое направление горной науки, техники, производства. Принцип геотехнологии в том, что прямо в глубинах недр полезное ископаемое переводят в наиболее подвижное состояние: раствор, расплав, пар, гидросмесь. Для этого в месторождение через скважины подают так называемый рабочий агент -- теплоноситель (пар, горячую воду), растворитель (кислоты, щелочи), колонию бактерий или окислитель. Затем из тех же скважин выкачивают на поверхность полезное ископаемое, переведенное уже  в   жидкое   или   газообразное   состояние.

Название каждого из геотехнологических способов зависит от рабочего агента, который они используют. Теплофизическим способом добывают серу, особо вязкую, тяжелую нефть, битум, озокерит -- горный воск. Под землю подают горячую воду, пар или электрический ток, а из скважины на поверхность поднимают расплав ценнейших продуктов.

Насос, вода и скважина -- все, что нужно для гидравлического способа. Направляя через скважины мощную струю воды. Он предложил сжигать уголь прямо под землей, улавливать из скважин горючие газы и уже их использовать как топливо. Такой способ применим и для подземной газификации другого важного горючего ископаемого -- сланца.

Добыть глубинное тепло недр Земли тоже позволяет геотехнология. Советскими учеными разработан проект первого подземного теплового котла для нужд золотого прииска в Магаданской области. В полукилометре друг от друга намечено пробурить 2 скважины глубиной по 3,5 км. Мощными подземными взрывами между ними создадут искусственную зону, пронизанную множеством мельчайших трещин,--«подземный тепловой котел». По одной из скважин подадут холодную воду. Она пройдет сквозь трещины в горном массиве и по пути отберет тепло.

Многие цветные и редкие металлы, например медь, уран, добывают гидрохимическим способом. Их руды под землей растворяют кислотами, щелочами. Богатый раствор откачивают, извлекают из него чистейший металл.

Некоторые бактерии ускоряют процесс выщелачивания и способны накапливать никель, железо, ванадий, серу и другие элементы. Их используют при так называемом бактериальном выщелачивании. В слабые растворители добавляют бактерии-рудокопы. Растворение руд идет в несколько раз быстрее.



2. Геология

Ангренское буроугольное месторождение расположено на территории Ахангаранского района Ташкентской области Узбекистана, входит в состав ОАО «Узбекуголь» в 110 км. ю.в.г. Ташкента, в межгорной долине р. Ахангаран, ограниченной с севера и юга Чаткальским и Кураминстким хребтами, соответственно основным промышленным центром является г. Ангрен с населением 120 тыс. человек. С городом Ташкентом он связан железной дорогой широкой колеи. Мимо г. Ангрен, через перевал Камчик проходит асфальтированная дорога Ташкент-Коканд. В 50 км. ю. з. Ангрена находится город Ахангаран с крупным цементным заводом, а в 10 км. ю-в от Ахангарана, город Алмалык - центр цветной металлургии Узбекистана.

Рельеф месторождения - пологохолмистый, спускающийся к долине реки Ахангаран, пересекающий площадь в субмеридиальном направлении, являющийся основой водной артерией месторождения и берущей начало на ю-з склона Чаткальского хребта из многочисленных сайков, развитых у перевала Джейрдан (13500) м); протяженность реки - 235 см при площади водосбора 5500-6000 км². Южная часть речной долины непосредственно примыкает к северным склонам Кураминского хребта. Преобладающие углы склонов 7-15⁰, реже до 20⁰. Выходные отметки колеблются от +1300м на с у пос.Алартан до +830 у пос. Атлык.

В геоморфологическом отношении правый берег реки Ахангаран - равнинный, сильно теранированный, переходящий в пологу холмистых предгорий. Климат района резко континентальный, с сухим жарким летом и прохладной зимой. Среднегодовая температура воздуха равна +13 - +18⁰. Абсолютная максимальная температура была зафиксирована в июле 1968 г. t_max=40.6⁰ C, абсолютная минимальная температура в январе 1969 г. t_min = - 25.8⁰ C.

Для региона месторождения показательно преобладание ветров двух направлений: горные дуют вверх по долине в северо-восточном направлении, часто идут осадки, вторые - юго-западного направления, дуют с гор, обычно сухие. Средняя скорость ветра колеблется в пределах 1.3 - 4.9 м/сек., но максимальная скорость ветров преобладающих направлений достигает 15 - 17 м/сек.

В течении года выпадает в среднем 430 - 640 мм. Осадков в основном осадки выпадают осенью, зимой, весной большая часть весной.

Район подвержен частым землетрясениям интенсивностью до 5 - 6 баллов и развитию оползневых процессов, вследствие техногенных факторов. Эпицентры землетрясений в непосредственной близости от Ангрена отмечались в 1955 и 1957 г.

Угленосные отложения на Анргенском месторождении на изометричной площади величиной 70 км², ограниченной на западе меридианом между реками Каратау и Дукент и меридианом ныне снесённого села Турк - на востоке; северная и южная границы месторождения проводятся по тектоническим нарушениям, протянувшимися в широтном направлении вдоль подножий Чаткальского и Кураминского хребтов. В этих границах протяженность месторождения вдоль долины реки Ахангаран достигает 12 км., при ширине от 4 до 9 км.

В стратиграфической последовательности на изученных площадях выделяются - домезозойские отложения, меловые отложения, палеогеновые отложения, неогеновые и четвертичные отложения.

Угленосными на площади являются юрские отложения. По металогическому составу в разрезе юрских отложений выделяются (снизу - вверх) две свиты - ангренская и джигиристанская (последняя без угольная). Ангренская свита подразделена на 3 подсвиты: нижнюю, верхнюю и среднюю.

Нижняя (подугольная) сложена глинами с проломами песчаников. Мощность отложений достигает 12 км. Средняя подсвита соответствует “Мощному комплексу”, сложена углем, глинами, мощностью от 7 до 50 м. Отложения подсвиты представлены глинами, песчаниками, углями “Верхнего угольного комплекса”. Мощность подсвиты до 15 м. На средней залегают согласно и совместно с ней срезается на значительной части площади отложение джигиристанской свиты.

Отложения джигиристанской свиты развиты шире и по уменьшению мощности срезают отложения Ангренской свиты в краевых частях в юго - восточном направлении. Представлены чередование песчаников, пестроцветных и белых каолинов, “вторичных каолинов”. Мощность отложений достигает до 30 м.

В основном все горнопроходческие работы на участке шахты развиваются в отложениях ангренской свиты. Общая мощность отложений юры достигает 186м. Меловые отложения залегают на юрских с угловым несоответствием до 20 м.

3. Тектоника

В структурном отношении участок шахты приурочен к северо - восточному крылу Ангренской депрессии. Залегание пород моноклинальное с меридиональным простиранием. Падение пород повсеместно западное в сторону депрессии. Углы изменяются от 5 до 15^о .

Важным структурным элементом является надвиг, по которому палеозойские образования подвинуты на мезо - кайнозойские отложения. Мощность подвига от 5 до 60-80 м. На участке присутствует мелкоамплитудная тектоника, в основном в виде сбросов амплитудами смещения от 4 до 10 м.

Небольшое количество нарушений, их малая амплитуда позволяет охарактеризовать участок как тектонически не осложненный.

4. Гидрогеологические условия месторождения

Гидрогеологические условия характеризуются наличием обводненности 4 х водных горизонтов: четвертичного, неогенового, мед- палеогенового, юрского и палеозойского, являющихся поставщиками подземных вод.

Четвертичный водоносный горизонт, как источник водоснабжения города, изучен более детально.

В настоящее время все водоносные горизонты взаимосвязаны и представляют единой водоносный комплекс, что связано как с общими источником питания; атмосферные осадки, приток со стороны палеозойского массива Кураминского хребта, так и с интенсивной техногенной деятельностью.

Внешний водоприток характеризуется основной водной артерией месторождения р. Ахангаран, берущей свое начало на юго - западном склоне Чаткальского хребта и многочисленных мелких и маловодных саев. Протяженность реки 235 км., площадь водосбора 3500 - 6000 км². Питание осуществляется за счет атмосферных осадков, снегостояния и подземных вод. Режим реки зарактеризуется крайне неустойчивостью. Основные притоки р. Ахангаран - Наугарзан - сай, Джигиристан - сай, Нимбаш - сай, Дукент - сай. Ожидаемые притоки в горные выработки составляют 120 м³/час, максимальный 180 м³/час. Источником водоснабжения шахты принят четвертый горизонт.

5. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Этот способ относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и при строительстве подземных резервуаров в растворимых породах. Техническим результатом является снижение затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого при одновременном упрощении процесса его обезвоживания. Достигается тем, что способ включает бурение скважины 2, монтаж в ней скважинного снаряда 4, подачу воды из наземного водоема 8 через скважинный снаряд 4 в создаваемую подземную камеру 14, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва 12 с возвратом воды в наземный водоем 8. При этом предварительно осуществляют проходку канавы 13 с уклоном от устья скважины 2 к наземному водоему 8, подачу воды в подземную камеру 14 производят по внешней 5 колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной 6 колонны труб с подъемом гидросмеси полезного ископаемого по этой колонне с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок 15 полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной 6 колонны труб, а отвод воды на поверхность производят по скважине 2 с возвратом в наземный водоем 8 по канаве 13. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

фиг.1 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых в плане.



фиг.2 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых в разрезе.

фиг.3 - нижняя часть подземной камеры при гидроэлеваторном подъеме гидросмеси полезного ископаемого.



фиг.4 - нижняя часть подземной камеры при эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого.

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и строительстве подземных резервуаров-хранилищ.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых из мерзлых песчаных отложений, включающий бурение с поверхности скважин до подошвы продуктивного пласта, монтаж в них скважинного гидромонитора и скважинного эрлифта, подачу воздуха от компрессора в скважинный эрлифт и воды из наземного водоема насосом на скважинный гидромонитор, размыв скважинным гидромонитором подземной камеры и подъем гидросмеси полезного ископаемого скважинным эрлифтом в зумпф землесосной установки, транспорт гидросмеси на карту намыва, отделение воды от руды и перекачку воды насосом оборотного водоснабжения в наземный водоем [1].

Недостаток данного способа заключается в больших энергозатратах на подъем полезного ископаемого и всей воды, подаваемой в скважинный гидромонитор при низкой плотности гидросмеси, обусловленной обычно большими расходами воды на размыв полезного ископаемого. Кроме этого, данный способ предусматривает гидротранспорт гидросмеси низкой плотности на карту намыва и перекачку воды в наземный водоем насосом оборотного водоснабжения, что также увеличивает энергозатраты на добычу полезного ископаемого.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий бурение скважины, монтаж в ней скважинного снаряда, содержащего внешнюю и внутреннюю колонны труб, подачу воды из наземного водоема через скважинный снаряд в подземную камеру, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва с возвратом в наземный водоем воды, отделяющейся от полезного ископаемого [2].

Недостаток данного способа также связан с большими затратами энергии на эрлифтный подъем полезного ископаемого и всей воды, подаваемой в скважину.

Решаемая задача заключается в снижении энергозатрат при скважинной гидродобыче полезных ископаемых за счет сокращения количества воды, поднимаемой через скважину и транспортируемой на карту намыва.

В результате решения этой задачи достигаются следующие преимущества:

- снижение затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого и воды,

- увеличение плотности поднимаемой гидросмеси, что упрощает процесс обезвоживания полезного ископаемого, поступающего на карту намыва.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в способе скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающем бурение скважины, монтаж в ней скважинного снаряда, содержащего внешнюю и центральную колонны труб, подачу воды насосом из наземного водоема через скважинный снаряд в образуемую подземную камеру, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва с возвратом в наземный водоем воды, отделяющейся от полезного ископаемого, согласно предлагаемому техническому решению предварительно осуществляют проходку канавы с уклоном от устья скважины к наземному водоему, подачу воды в подземную камеру производят по внешней колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной колонны труб, подъем гидросмеси полезного ископаемого ведут по центральной колонне труб с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб, а отвод воды из подземной камеры на поверхность производят по скважине, с возвратом ее в наземный водоем по канаве.

Кроме того, при подъеме гидросмеси полезного ископаемого эрлифтированием в скважинном снаряде устанавливают дополнительную внутреннюю колонну труб, по которой осуществляют подачу воздуха в нижнюю часть центральной колонны труб.

Проходка канавы с уклоном от устья скважины к наземному водоему и отвод из подземной камеры на поверхность воды по скважине с возвратом ее в наземный водоем по канаве позволяют не расходовать энергию на подъем и гидротранспорт основной массы воды, подаваемой в подземную камеру, так как ее возврат производится самотеком.

Подача воды в подземную камеру по внешней колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной колонны труб способствует размыву и взвешиванию осадка полезного ископаемого, накапливающегося в зоне всасывания гидросмеси, что снижает сопротивление при всасывании полезного ископаемого и, следовательно, уменьшает энергозатраты при его подъеме на поверхность.

Подъем гидросмеси полезного ископаемого по центральной колонне труб с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб, с одной стороны, позволяет поднимать крупнообломочный материал по трубе круглого сечения, а не по кольцевому зазору, что обеспечивает максимальную крупность поднимаемого полезного ископаемого, с другой стороны, создается возможность накопления в зоне всасывания осадка полезного ископаемого, что позволяет поднимать гидросмесь высокой плотности без подъема из подземной камеры лишней воды и снизить энергозатраты на подъем полезного ископаемого в целом.

Кроме того, подачей воздуха в нижнюю часть центральной колонны труб по дополнительной внутренней колонне труб скважинного снаряда создается возможность применения эрлифтного подъема полезного ископаемого, что при глубине добычи более 30 м является менее энергоемким, по сравнению с гидроэлеваторным.

Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи снижения энергозатрат при скважинной гидродобыче полезных ископаемых.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами.

На фигурах 1, 2, 3 и 4 изображены: буровая установка 1, используемая для проходки скважины 2 до подошвы продуктивного пласта 3 полезного ископаемого, скважинный снаряд 4, содержащий внешнюю 5 и центральную 6 колонны труб, а также дополнительную внутреннюю колонну труб 7 для подачи воздуха (при эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого). На наземном водоеме 8 установлен насос 9, соединенный водоводом 10 со скважинным снарядом 4. Пульповод 11 проложен от скважинного снаряда 4 до карты намыва 12. Проходку водоотводной канавы 13 производят от устья скважины 2 до наземного водоема 8. На дне создаваемой подземной камеры 14, выше нижнего конца центральной колонны труб 5, накапливается осадок 15 полезного ископаемого (фиг.4). При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого дополнительную внутреннюю колонну труб 7 скважинного снаряда 4 соединяют с компрессором 16 через наземный воздуховод 17 (фиг.1).

Способ осуществляется следующим образом. С поверхности земли буровой установкой 1 пробуривают скважину 2 до подошвы продуктивного пласта 3. От устья скважины 2 с помощью бульдозера проходят канаву 13 к наземному водоему 8 с уклоном в его сторону (фиг.1). В скважине 2 с помощью буровой установки 1 монтируют скважинный снаряд 4, содержащий внешнюю 5 и центральную 6 колонны труб. При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого в скважинном снаряде 4 монтируют дополнительную внутреннюю колонну труб 7 (фиг.4). После монтажа труб скважинного снаряда 4 последний подсоединяют к водоводу 10 и воздуховоду 17 (фиг.1) и из наземного водоема 8 насосом 9 по водоводу 10 и внешней колонне труб 5 осуществляют подачу воды под уровень нижнего конца центральной колонны труб 6 в создаваемую подземную камеру 14. Под воздействием воды полезное ископаемое продуктивного пласта 3 разрушается и опускается в низ подземной камеры 14, образуя на дне осадок 15, который размывается и взвешивается струями подаваемой воды (фиг.3), после чего по центральной колонне труб 6 гидросмесь полезного ископаемого поднимают на дневную поверхность с производительностью, при которой на дне создаваемой подземной камеры 14 накапливается осадок 15 до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6. Далее по пульповоду 11 гидросмесь направляют на карту намыва 12, где происходит отделение полезного ископаемого, при этом воду, поднятую скважинным снарядом 4 вместе с гидросмесью полезного ископаемого, самотеком возвращают в наземный водоем 8 по канаве 13.

Подъем гидросмеси полезного ископаемого на поверхность может осуществляться с использованием в качестве скважинного снаряда 4 гидроэлеваторного (фиг.3) или эрлифтного (фиг.4) скважинных снарядов. При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого в скважинном снаряде 4 монтируют дополнительную внутреннюю колонну труб 7 (фиг.4), по которой и воздуховоду 17 от компрессора 16 в нижнюю часть центральной колонны труб 6 подают сжатый воздух. При этом также подъем гидросмеси полезного ископаемого ведут с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры 14 осадок 15 полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6, что обеспечивает высокую плотность поднимаемой гидросмеси полезного ископаемого. Регулирование производительности подъема гидросмеси полезного ископаемого осуществляют изменением расхода подаваемой на скважинный снаряд 4 воды (при гидроэлеваторном подъеме) или сжатого воздуха (при эрлифтном подъеме). Основную массу воды, обычно около 75%, извлекают через скважину 2 и по канаве 13 самотеком возвращают в поверхностный водоем 8 за счет уклона канавы 13, создаваемого в сторону водоема 8.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа решается задача снижения затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого и воды, благодаря тому, что основная масса воды, подаваемой в подземную камеру 14, отводится по скважине 2 и канаве 13 в наземный водоем 8, а не поднимается скважинным снарядом 4 на поверхность вместе с полезным ископаемым. Одновременно с этим решается задача увеличения плотности поднимаемой гидросмеси за счет накопления в нижней части камеры 14 осадка 15 полезного ископаемого толщиной, превышающей уровень нижнего конца центральной колонны труб 6 скважинного снаряда 4, что достигается регулированием производительности подъема гидросмеси. В результате этого упрощается процесс обезвоживания полезного ископаемого, поступающего на карту намыва 12, и снижаются энергозатраты при скважинной гидродобыче.

Примером конкретного выполнения способа может служить добыча погребенных многолетне-мерзлых песков. Продуктивный пласт 3, перекрытый мерзлыми глинистыми отложениями, вскрывают скважиной 2 с помощью буровой установки 1. От устья скважины 2 до наземного водовода 8 бульдозером проходят канаву 13 с уклоном в сторону наземного водоема 8. В скважине 2 с помощью автокрана монтируют скважинный снаряд 4, состоящий из внешней (водоподающей) колонны труб 5, центральной (пульпоподъемной) колонны труб 6 и дополнительной внутренней (воздухоподающей) колонны труб 7, соединенной в нижней части с центральной колонной труб 6 (фиг.4). Нагретую от солнечной радиации воду из поверхностного водоема 8 при температуре +12°С насосом 9 марки Д 1250/63 с расходом 1000 м³/ч по водоводу 10 подают в четыре скважинных снаряда 4. Вода по внешней колонне труб 5 с расходом 250 м³/ч поступает в нижнюю часть создаваемой подземной камеры 14. В результате теплообмена на стенках подземной камеры 14 происходит оттаивание мерзлого продуктивного пласта песка 3 с образованием осадка 15 оттаявшего песка, накапливающегося на дне подземной камеры 14. При удельном расходе 10 м³ воды на оттаивание 1 м³ песка за 1 час на дне подземной камеры 14 будет накапливаться около 25 м³ песка. При подаче воздуха от компрессора 16 по воздуховоду 17 и дополнительной внутренней колонне труб 7 с расходом 10 м³/мин производительность подъема гидросмеси полезного ископаемого составит 125 т/ч с содержанием в ней 25 м³/ч песка и 75 м³/ч воды при плотности гидросмеси 1,3 т/м³. Если уменьшается плотность поднимаемой гидросмеси, то снижают расход подаваемого воздуха и, тем самым, производительность эрлифтирования, что обеспечивает накопление осадка 15 на дне подземной камеры 14 до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6. Основная масса воды, подаваемой в подземную камеру 14 с расходом 150 м³/ч, по скважине 2 и канаве 13 с температурой около 4°С самотеком возвращается в наземный водоем 8, где происходит ее повторное нагревание.

Комплекс оборудования, состоящий из одного насоса 9 и четырех скважинных снарядов 4, обеспечивает производительность гидродобычи песка около 100 м³/ч.



6. Струеформирующее устройство гидромонитора

Этот способ относится к горной промышленности и предназначено для гидравлического разрушения полезных ископаемых. Технический результат заключается в повышении гидродинамического давления струи за счет формирования равномерного распределения скорости по поперечному сечению на выходе потока из поворотного канала гидромонитора. Достигается тем, что в струеформирующем устройстве гидромонитора, включающем подводящие, шарнирные и поворотные каналы, прямолинейный ствол с переходником и насадком, на внутренней поверхности поворотного канала, перед входом потока жидкости в прямолинейный ствол гидромонитора, диагонально - под углом к радиальным линиям тока канала, установлены распределительные пластины, которые выделяют из общего потока участки жидкости и направляют их в зону водоворота для его подавления, а распределительные пластины выполнены в виде желобков и установлены на упорных продольных пластинах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

фиг.1 - гидромонитор со струеформирующим устройством.



фиг.2 - гидромонитор со струеформирующим устройством.

фиг.3 - струеформирующее устройство гидромонитора на виде сверху (узел А); фиг.4 - распределительная пластина

сечение II-II на фиг.3.

Эта установка относится к горной промышленности и предназначено для гидравлического разрушения полезных ископаемых.

Направляющий аппарат, устанавливаемый в поворотном канале [1], включающий радиальные пластины, расположенные параллельно радиальным линиям тока канала, которые делят поток по сечению канала на отдельные слои и обеспечивают его равномерное движение.

Недостатком направляющего аппарата является ограниченная область применения, а именно - только для установившегося потока жидкости формируемого перед входом в каналы направляющего аппарата. Если в этот аппарат направить неустановившийся поток жидкости с неравномерной эпюрой распределения скорости по сечению канала, то он передаст и сохранит его входную неравномерность.

Известны струеформирующие устройства - гидромониторы [2], включающие шарнирные и поворотные каналы, а также ствол с насадком.

Недостатком струеформирующего устройства рассмотренных гидромониторов является интенсивное разрушение струи из-за высокой неравномерности потока жидкости формируемого в поворотных каналах.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является струеформирующее устройство гидромонитора [3], включающее подводящие, шарнирные и поворотные каналы, а также прямолинейный ствол с переходником и насадком.

Недостатком конструкции струеформирующего устройства гидромонитора является разрушение струи и низкое гидродинамическое давление из-за неравномерного распределения скорости по поперечному сечению канала прямолинейного ствола предварительно формируемой в поворотном канале.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение гидродинамического давления струи за счет формирования равномерного распределения скорости по поперечному сечению на выходе потока из поворотного канала гидромонитора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что на внутренней поверхности поворотного канала, перед входом потока жидкости в прямолинейный ствол гидромонитора, диагонально - под углом к радиальным линиям тока канала, установлены распределительные пластины, которые выделяют из общего потока участки жидкости и направляет их в зону водоворота для его подавления. При этом распределительные пластины выполнены в виде желобков и установлены на упорных продольных пластинах. Струеформирующее устройство гидромонитора включает подводящий канал 1 с опорой 2, шарнирные каналы 3, гидроцилиндры 4, поворотные каналы 5, распределительные пластины - желобки 6, упорные пластины 7 прямолинейный ствол 8 с переходником и насадком 9.

Гидромонитор со струеформирующим устройством работает следующим образом. Высоконапорная вода подается в подводящий канал 1 и движется по шарнирным каналам 3, поворотному каналу 5, распределительным пластинам - желобкам 6 и прямолинейному стволу 8. В переходнике с насадком 9 поток воды сжимается и вылетает из гидромонитора в виде струи 10. При движении воды в поворотном канале 5 неустановившийся поток имеет неравномерную эпюру распределения скорости (сечение 11).

После выхода потока воды из поворотного канала 3 в существующих конструкциях струеформирующих устройств гидромониторов в прямолинейном стволе 5 образуется зона водоворота (зона В). Водоворот нарушает устойчивый режим движения потока воды в прямолинейном канале ствола 8 и изменяет эпюру распределения скорости по его поперечному сечению.

Для естественного выравнивания скорости потока в существующих гидромониторах требуется прямолинейный канал 8 длинной, равной (40-45)d _к, где d_к - диаметр канала 8. Выполнить данное условие для гидромонитора невозможно из-за ограничений их габаритов. При наличии водоворота (зона В) и последующем сжатии неустановившегося потока в переходнике с насадком 9 снижается гидродинамическое давление струи 10, замеряемое гидродатчиком 11.

При движении воды в предлагаемом струеформирующем устройстве гидромонитора установленные распределительные пластины 6 выделяют из общего потока воды отдельные участки и направляют их в зону водоворота (зона В). В результате на коротком отрезке канала 8 выравнивается эпюра распределения скоростей по сечению потока (сечение II-II).

Для увеличения эффективности работы струеформирующего устройства распределительные пластины 6 выполнены в виде желобков и расположены диагонально - под углом  к радиальным линиям тока поворотного канала 5. Исключение прогиба распределительных пластин 6 и вибрации в процессе работы достигается за счет их установки на упорных продольных пластинах 7.

Для выравнивания эпюры распределения скорости потока (сечение III-III) у предлагаемого струеформирующего устройства гидромонитора требуется меньшая длина прямолинейного канала 8.

Распределительные пластины 6, установленные на выходе потока воды из поворотного канала 5, повышают динамическое давление струи гидромонитора за счет формирования более равномерного распределения скорости по поперечному сечению канала 8 на 30-35% по сравнению с существующими конструкциями гидромониторов.

7. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Этот способ относится к горному делу и предназначено для разработки методом скважинной гидродобычи мощных глубокозалегающих месторождений рыхлых самообрушающихся или предварительно обрушенных полезных ископаемых с тяжелыми минералами. Устройство содержит внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием. Нижняя часть напорной колонны, жестко соединенная с телескопической нижней частью пульповыдачной трубы, выполнена телескопически выдвижной относительно колонны и снабжена ограничительно-направляющими кольцами. Напорная колонна может быть выполнена с телескопически выдвижным хвостовиком-стволом и ограничительно-направляющими кольцами. Телескопическая нижняя часть пульповыдачной трубы имеет ограничительно-направляющие кольца и элементы крепления к нижней части напорной колонны. Устройство обеспечивает существенное снижение затрат и трудоемкости процесса гидродобычи, а также повышение производительности скважин по твердым продуктам, это связано с уменьшением технологических операций, выполняемых с поверхности и вызывающих остановки процесса добычи, а также повышением эффективности разрушения крупного материала, интенсивности перемешивания твердого и жидкого с выдачей оптимальной по плотности пульпы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.



8. Способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого

Этот способ относится к геотехнологии и может быть использовано при скважинной гидродобыче полезных ископаемых в широком диапазоне горно-геологических условий. Задача: снижение энергоемкости процесса гидроотбойки.

Сущность: способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого включает их вскрытие скважиной на всю мощность формации и отработку последней камерой, соосной со скважиной, с использованием гидромониторов.

До начала процесса гидроотбойки материала формации осуществляют увлажнение массива, подлежащего отбойке, подачей в скважину воды при давлении, меньшем давления, необходимого при гидроотбойке данного полезного ископаемого, и по истечении времени, необходимого для распространения границы увлажненного массива на заданную величину, в скважину вводят гидромониторный агрегат, посредством которого отбивают массив полезного ископаемого в прилегающей к скважине увлажненной зоне, после чего работы по увлажнению массива и его последующей гидроотбойке повторяют до выхода на проектные размеры камеры. 2 ил.



фиг.1 показан разрез по оси камеры, фиг.2 - выполнение нижнего конца става гидромониторного агрегата

Известен способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого, включающий их вскрытие скважиной на всю мощность формации и отработку последней камерой, соосной со скважиной.

Недостаток этого решения в том, что при отработке формаций мощностью свыше 10 м наблюдается неконтролируемое разрушение бортов камеры и, как следствие этого, обрушение вышележащих пород, покрывающих камеру.

Известен также способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого, включающий их вскрытие скважиной на всю мощность формации и отработку последней камерой, соосной со скважиной, с использованием гидромониторов .

Недостаток этого решения в том, что при реализации способа велик расход энергии на процесс гидроотбойки, что требует использования мощного гидромониторного оборудования.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в снижении энергоемкости процесса гидроотбойки.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении расхода энергии на гидроотбойку и исключении необходимости использования мощного гидромониторного оборудования.

Поставленная задача решается тем, что способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого, включающий их вскрытие скважиной на всю мощность формации и отработку последней камерой, соосной со скважиной, с использованием гидромониторов, отличается тем, что до начала процесса гидроотбойки материала формации осуществляют увлажнение массива, подлежащего отбойке, подачей в скважину воды при давлении, меньшем давления, необходимого при гидроотбойке данного полезного ископаемого, и по истечении времени, необходимого для распространения границы увлажненного массива на заданную величину, в скважину вводят гидромониторный агрегат, посредством которого отбивают массив полезного ископаемого в прилегающей к скважине увлажненной зоне, после чего работы по увлажнению массива и его последующей гидроотбойке повторяют до выхода на проектные размеры камеры.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:

Признаки «...что до начала процесса гидроотбойки материала формации осуществляют увлажнение массива, подлежащего отбойке...» приводят к предварительному разупрочнению массива - пласт полезного ископаемого (в частности, угля) пронизан системой естественных трещин (является конгломератом трещин), а это приводит к тому, что под воздействием воды происходит его расклинивание и изменение механического состояния массива, при этом прочность материала формации снижается на 50-60%.

Признаки «...подачей в скважину воды при давлении, меньшем давления, необходимого при гидроотбойке данного полезного ископаемого» задают режимные характеристики процесса увлажнения.

Признаки «...по истечении времени, необходимого для распространения границы увлажненного массива на заданную величину, в скважину вводят гидромониторный агрегат, посредством которого отбивают массив полезного ископаемого в прилегающей к скважине увлажненной зоне» обеспечивают взаимодействие струи гидромониторного агрегата с разупрочненным материалом, что снижает энергоемкость процесса гидроотбойки.

Признаки «...работы по увлажнению массива и его последующей гидроотбойке повторяют до выхода на проектные размеры камеры» обеспечивают полную отработку материала формации в пределах проектного контура камеры в случаях пониженной проницаемости массива.

На фиг.1 показан разрез по оси камеры, на фиг.2 - выполнение нижнего конца става гидромониторного агрегата (при размещении трубопровода в специальной полости, изолированной от полости става).

Способ осуществляют следующим образом.

Формацию 1 до ее нижней границы вскрывают скважиной 2 (на участке скважины, не лежащем в пределах формации, целесообразно разместить обсадную трубу или иным образом изолировать его от контакта с водой). Далее скважину подключают к источнику воды 3 (например, водоему или емкости соответствующего размера) трубопроводом 4 и заполняют ее водой и обеспечивают напор до 10 атмосфер (при глубине скважины порядка 100 м статического давления водяного столба заполняющего ее, будет вполне достаточно для поддержания процесса пропитки угольного массива без дополнительного применения насосного оборудования 5), достаточный для увлажнения массива, прилегающего к скважине и подлежащего отбойке. Пропитка приводит к предварительному разупрочнению массива, поскольку пласт полезного ископаемого (в частности, угля) пронизан системой естественных трещин (является конгломератом трещин), а это приводит к тому, что под воздействием воды происходит его расклинивание и изменение механического состояния массива, при этом прочность материала формации снижается на 50-60%.

Далее, в скважину вводят скважинный гидромониторный агрегат 6 известной конструкции, став которого известным образом разделен на два канала, один из которых обеспечивает подвод воды к гидромониторному агрегату 6 от источника воды 3, а второй обеспечивает отвод пульпы.

С помощью гидромониторного агрегата производят круговой размыв полезного ископаемого на полную мощность формации в пределах предварительно увлажненного объема 7 массива. Поскольку речь идет об отбойке предварительно разуплотненного массива, рабочее давление воды в мониторе составляет порядка 50-60% от давления, необходимого для отбойки массива с исходной прочностью. Если естественная проницаемость массива не позволяет за один раз осуществить отбойку массива в пределах проектного контура 8 камеры, после гидроотбойки первоначально увлажненного объема полезного ископаемого операцию увлажнения массива повторяют, пока не достигнут проектного контура 8 камеры.

После полной выемки объема полезного ископаемого в камере аналогично отрабатывают новую камеру (не показана). В процессе ее выемки в выработанное пространство ранее отработанной камеры сбрасывают хвосты, получаемые при обогащении материала формации, добытого из нее (хвосты, полученные в процессе выемки первой камеры, временно складируют на поверхности и начинают сбрасывать в выработанное пространство после полного окончания первой камеры).

Способ скважинной разработки подземных формаций полезного ископаемого, включающий их вскрытие скважиной на всю мощность формации и отработку последней камерой, соосной со скважиной, с использованием гидромониторов, отличающийся тем, что до начала процесса гидроотбойки материала формации осуществляют увлажнение массива, подлежащего отбойке, подачей в скважину воды при давлении, меньшем давления, необходимого при гидроотбойке данного полезного ископаемого, и по истечении времени, необходимого для распространения границы увлажненного массива на заданную величину, в скважину вводят гидромониторный агрегат, посредством которого отбивают массив полезного ископаемого в прилегающей к скважине увлажненной зоне, после чего работы по увлажнению массива и его последующей гидроотбойке повторяют до выхода на проектные размеры камеры.

9. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых при мощных обводненных месторождений

Метод может быть использовано при скважинной гидродобыче (СГД) мощных обводненных месторождений неоднородных по прочности полезных ископаемых с тяжелыми минералами. Способ включает бурение добычной скважины, размещение в ней гидродобычного устройства, размыв в восходящем порядке и обрушение на забой слабых и крепких полезных ископаемых, гидроподъем пульпы. Одновременно на забое по оси скважины производят дезинтеграцию слабых полезных ископаемых пульпоприготовление и магазинирование крепких крупнообломочных полезных ископаемых. Замагазинированные в камере крепкие крупнообломочные полезные ископаемые разупрочняют взрывом или химическим способом и выполняют их гидродобычу через скважину. Способ обеспечивает производительную гидродобычу из мощных обводненных неоднородных по прочности месторождений полезных ископаемых с тяжелыми минералами за счет качества дезинтеграции пород и процесса пульпоприготовления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.



фиг.1 и 2 схемы иллюстрирующие способ в начале и в конце отработки камеры.

Этот способ относится к горному делу и может быть использовано при скважинной гидродобыче (СГД) мощных обводненных месторождений неоднородных по прочности полезных ископаемых с тяжелыми минералами.

Известен способ СГД полезных ископаемых, включающий бурение добычной скважины, размещение в ней гидродобычного устройства, размыв пород слоями в восходящем порядке, магазинирование пород в отрабатываемой камере, гидроподъем пород, причем добычную камеру выполняют с перебуром нижней границы извлечения, крупную фракцию слабых пород временно магазинируют, а магазинирование крепких негабаритных включений производят в перебур.

Недостатком этого способа является его низкая производительность, так как операции по размыву и гидроподъему выполняются последовательно; этим способом нерационально разрабатывать мощные месторождения с большим количеством слабосцеметированных и крепких включений, поступающих на забой в виде обломочного материала, а также невозможно производить добычу полезных ископаемых, состоящих из тяжелых минералов, которые быстро оседают и не могут быть подняты с забоя без специальных процессов пульпоприготовления.

Известен способ, содержащий бурение добычной скважины, размещение в ней гидродобычного устройства, одновременный размыв и гидроподъем слабых пород, обрушение и магазинирование крепких крупнообломочных пород в отрабатываемой камере, причем гидроотбойку и магазинирование крепких пород выполняют после гидроотбойки и гидроподъема слабых пород.

Этот способ, принятый за прототип, имеет недостатки и ограничения по условиям применения при отработке залежей неоднородных по прочности полезных ископаемых, состоящих из перемежающихся слабых (рыхлых и слабосцементированных) и прочных разновидностей, а также состоящих из тяжелых минералов, что не позволяет обеспечивать высокопроизводительную гидродобычу. Это связано с тем, что предусматривается последовательность в выполнении процессов гидроотбойки слабых и прочных пород, а также бокового размыва и гидроподъема поступившей на забой дезинтегрированной при обрушении массы. Кроме того, это связано с невозможностью гидроподъема с забоя полезных ископаемых, состоящих из тяжелых минералов без специальных процессов пульпоприготовления. Невозможно также без доизмельчения осуществить подъем с забоя слабосцементированных и прочных пород, не получивших достаточной дезинтеграции при обрушении.

Примером мощных обводненных залежей, сложенных неоднородными по прочности полезными ископаемым, состоящими из тяжелых минералов, являются месторождения богатых мартитовых железных руд КМА. Мартит, имеющий плотность 4,8-5,1 г/см³, составляет 80-95% рудной массы. Рудные залежи представлены чередованием горизонтов различной прочности, а также зон вторичной цементации и разуплотнения, связанных с тектоническими нарушениями. Прочность зависит от количества и состава цементирующих минералов. Состав цемента может быть различным; силикаты и гидроокислы железа, карбонаты и др.

К слабым рудам по геотехнологическим характеристикам, выявленным в реальном процессе СГД, отнесены рыхлые (самообрушающиеся и самоизмельчающиеся), слабосцементированные (принудительно сдвигаемые самоизмельчающиеся), к прочным - сцементированные (каменистые). Рыхлые при размыве и обрушении поступают на забой в форме рудного песка, слабосцементированные частично дезагрегируются, а частично обрушаются на забой в виде обломочного материала. Прочные руды образуют обломки, которые не поддаются дезинтеграции в процессе перемешивания рудной массы струями с целью пульпоприготовления.

Задача изобретения - создание способа, обеспечивающего производительную гидродобычу из мощных обводненных неоднородных по прочности месторождений полезных ископаемых с тяжелыми минералами за счет улучшения дезинтеграции пород и процесса пульпоприготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в способе скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающем бурение добычной скважины, размещение в ней гидродобычного устройства, одновременный размыв и гидроподъем слабых полезных ископаемых, обрушение и магазинирование крепких крупнообломочных полезных ископаемых в отрабатываемой камере, размыв и обрушение на забой слабых и крепких полезных ископаемых ведут в восходящем порядке, одновременно на забое по оси скважины производят магазинирование крепких крупнообломочных полезных ископаемых, дезинтеграцию полезных ископаемых и пульпоприготовление.

Другим отличием является то, что замагазинированные в камере крепкие крупнообломочные полезные ископаемые разупрочняют взрывом, химическим или иным способом и выполняют их гидродобычу через ранее пробуренные добычные скважины.

На фиг.1 и 2 показаны схемы, иллюстрирующие способ в начале и в конце отработки камеры.

Способом отрабатывается мощное обводненное месторождение неоднородного по прочности полезного ископаемого с тяжелыми минералами, например богатых железных руд КМА в остаточных корах выветривания, которое содержит горизонты слабых (рыхлых и слабосцементированных) 1, горизонты с отдельными включениями крепких 2 полезных ископаемых и прочные породы кровли 3.

Месторождение вскрывают добычной скважиной 4 до нижнего горизонта отработки. В скважине 4 размещают гидродобычное устройство, содержащее внешнюю пульповыдачную трубу 5, напорную колонну 6 с осевой 7 и боковой 8 гидромониторными насадками, расположенными ниже приемного отверстия 9 пульповыдачной трубы 5. При разработке глубокозалегающих мощных месторождений пульповыдачная труба выполняется с телескопической нижней частью, жестко соединенной с напорной колонной (не показаны). Струей из гидромониторной насадки 8 производится круговой размыв пород в боковом направлении и образуется цилиндрическая полость, заполненная жидкостью. Разрушенные породы обрушаются и попадают в зону действия осевой гидромониторной насадки 7, струя воды или газожидкостной смеси продолжает дезинтеграцию слабосцементированных полезных ископаемых и осуществляет пульпоприготовление - процесс интенсивного перемешивания тяжелых частиц породы и воды. Приготовленная таким образом пульпа поднимается восходящими потоками к приемному отверстию 9 и выдается на поверхность по пульповыдачной трубе 5.

Крепкие крупнообломочные фракции полезного ископаемого 2 скапливаются на забое и магазинируются 10 до конца выемки из камеры слабых полезных ископаемых. Размыв и обрушение полезного ископаемого ведут в восходящем порядке. Забой постепенно поднимается по мере накопления замагазинированного материала 10. Осевая струя воды воздействует на дезинтегрируемый материал, находящийся на подстилке из крепкого материала, чем создается эффект молота и наковальни и повышается производительность дезинтеграции и пульпоприготовления. Способствует процессам и присутствие в перемешиваемой массе крепких включений, которые, соударяясь со слабосцементированными обломками, ускоряют процесс их дезинтеграции.

Процессы размыва, обрушения, магазинирования, дезинтеграции, пульпоприготовления и гидроподъема ведут одновременно, что обеспечивает высокую производительность гидродобычи. Крепкие крупнообломочные породы извлекаются только после выемки всех слабых пород, что позволяет на первой стадии добычи производительно работать при относительно невысоких давлениях в напорной системе.

Замагазинированные крепкие крупнообломочные полезные ископаемые могут дезинтегрироваться более эффективными методом, чем воздействие водяной струей. Например, они могут разупрочняться взрывом или дезагрегироваться путем химического разложения цементирующих минералов, или другими известными способами. После дезинтеграции выполняется их скважинная гидродобыча одним из известных способов через ранее пробуренную скважину.

1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий бурение добычной скважины, размещение в ней гидродобычного устройства, одновременный размыв и гидроподъем слабых полезных ископаемых, обрушение и магазинирование крепких крупнообломочных полезных ископаемых в отрабатываемой камере, отличающийся тем, что размыв и обрушение на забой слабых и крепких полезных ископаемых ведут в восходящем порядке, одновременно на забое по оси скважины производят дезинтеграцию слабых полезных ископаемых, пульпоприготовление и магазинирование крепких крупнообломочных полезных ископаемых.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замагазинированные в камере крепкие крупнообломочные полезные ископаемые разупрочняют взрывом или химическим способом и выполняют их гидродобычу через скважину.

10. Скважинный гидродобычной агрегат

Этот технический процесс относится к горному делу и может быть использовано при скважинной гидродобыче полезных ископаемых. Агрегат включает высоконапорный став, центральную пульпоподъемную колонну, установленную внутри высоконапорного става, внутренняя полость которой соединена с внутренней полостью высоконапорного става через насадок гидроэлеватора, в нижней части высоконапорного става установлена насадка гидромонитора, к которой жестко присоединена дополнительная насадка с всасывающей камерой. Насадка гидромонитора соединена с высоконапорным ставом с возможностью вращения относительно ее продольной оси и снабжена жиклерами с хвостовиками, загнутыми противоположно направлению вращения, а всасывающая камера снабжена пульпозаборниками с окнами, расположенными радиально к всасывающей камере и направленными в сторону вращения гидромонитора. Обеспечивает увеличение производительности за счет интенсификации процесса пульпообразования и увеличения процентного содержания добываемого материала в пульпе. 3 ил.

...