ГИДРОДОБЫЧА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Одним из направлений развития способов разрушения горных пород являет­ся использование энергии водяной струи большого давления и скорости.

Исследования последних лет показывают, что породы практически любой кре­пости можно разрушать гидромониторными струями. Однако в настоящее время гидравлическое разрушение применяется в основном для разработки рыхлых по-

7 Основы горного дела род и руд (пески, супеси, суглинки, глины, алевролиты и т. д.) и несколько реже — при разработке слабых скальных пород и руд (мергели, сланцы, известковистые песчаники, угли и т. д.).

Механизм разрушения зависит от физико-механических свойств горных по­род и параметров струи и обусловлен одновременным проявлением различных сил (динамическое давление, удар, фильтрационные силы и др.). В результате воз­действия струи на слабосвязанные или уже отбитые руды нарушается связь меж­ду отдельными частицами, происходит смачивание и водонасыщение пород, что в свою очередь приводит к изменению сил сцепления.

Ослабление структурных связей, облегчение деформации и понижение проч­ности может быть достигнуто введением в рабочую жидкость поверхностно- активных веществ (ПАВ). Слои молекул или ионов жидкости с высокой энергией смачивания проникают в микротрещины и препятствуют смыканию поверхно­стей, что способствует снижению величины работы, необходимой для разруше­ния.

В ряде случаев эффективное разрушение структуры песчаных руд может быть достигнуто кислотной обработкой, разрушающей цементирующее веще­ство. Цементирующее вещество может быть разложено при соответствующих условиях микроорганизмами, выделяющими продукты жизнедеятельности, при­дающие пласту повышенную подвижность.

Структура рыхлых водонасыщенных руд может быть разрушена фильтраци­онным потоком. Плывунное состояние полезного ископаемого создает наилуч­шие предпосылки для его добычи. Плывунность не является свойством какого- нибудь определенного типа пород. При создании соответствующих условий в плывунное состояние могут переходить горные породы любого гранулометриче­ского состава.

Из всех вышеуказанных способов разрушения горных пород и руд для образо­вания гидросмеси наибольшее применение нашло разрушение напорными гидро­мониторными струями, иногда в сочетании с другими способами (взрывным, меха­ническим) . Этот способ нашел довольно широкое применение на открытых горных работах для производства вскрыши и на добыче, на подземных горных работах при добыче угля. Исследования показывают, что способ гидродобычи через скважины, позволяющий не производить дорогостоящих вскрышных работ, а также освобо­дить человека от участия в тяжелом и опасном подземном процессе добычи, мо­жет уже в ближайшие годы найти промышленное применение на ряде месторож­дений нашей страны.

Сущность способа гидродобычи через скважины (СГД) с разрушением пла­стов, содержащих полезное ископаемое, гидромониторными струями состоит в следующем: в пробуренную скважину опускается добычный снаряд, оборудован­ный гидромонитором и выданным устройством; руда, размываемая струей воды при соответствующем давлении, в виде пульпы выдается на поверхность. В каче­стве выдачного устройства могут использоваться гидроэлеваторы, эрлифты, сква- жинные насосы или их комбинации. Возможна также отработка через скважины, буримые из горных выработок, пройденных под рудным телом. При этом рудная пульпа самотеком через скважину подается на обогащение или выдается на по­верхность. Объем добычи одной скважины определяется параметрами кратковре­менной устойчивости кровли рудного тела.

В Институте гидродинамики СО АН СССР было предложено осуществлять бесшахтную добычу погребенных россыпей, базирующуюся на свойстве песков- плывунов при выемке их через скважины заполнять освободившееся простран­ство в забое скважины новой порцией горной массы. Технологический процесс добычи состоит в следующем. В пробуренную и обсаженную скважину опускают­ся два соосных трубопровода с гидроэлеватором на конце. От насоса к гидроэлева­тору по межтрубному пространству подается под напором вода, а по центральной трубе выводится наверх пульпа. Расчеты показали, что одна скважина в условиях плывуна с дебитом 20 м3/ч может работать на добыче песка несколько лет. Однако при проведении опытных работ после откачки около 1 ООО м3 песков произошел об­вал налегающих пород, и приток песка к скважине прекратился.

В США разработан способ, основанный на использовании устройства, позво­ляющего вести добычу полезного ископаемого под землей через скважину с по­мощью напорных струй воды и осуществляющего подъем образующейся пульпы эжекторным устройством.

Разработка ведется через 16-дюймовые скважины (40,6 см) и сочетает гидрав­лическую отбойку, вынос пульпы и вращательное бурение. Скважина бурится с поверхности и крепится до верхней части разрабатываемой зоны. Горный ин­струмент для разработки через скважину состоит из многочисленных секций бу­рильных труб разного диаметра, расположенных соосно, и эжекторного агрегата. Эжекторный агрегат содержит боковые насадки, струйный насос со всасываю­щей сеткой и трехшарошечное долото. Под давлением до 6 МПа жидкость подво­дится к боковым насадкам, к насадке струйного насоса и трехшарошечному доло­ту. Жидкость, выходящая из промывочных отверстий, очищает коронку и взбал­тывает буровой шлам. Вращательное движение бурового инструмента заставляет буровую коронку измельчать негабаритный материал до такой степени, чтобы он смог пройти через всасывающую сетку. Давление жидкости, выходящей из насад­ки струйного насоса, обеспечивает поднятие пульпы к поверхности с глубины до 150 м. Пульпа разгружается в отстойники, где шлам осаждается, а очищенная жид­кость возвращается к насосу высокого давления. При таком способе разработки производительность может достигнуть 0,76 м3/мин. Для достижения максималь­ной производительности уровень жидкости в скважине автоматически поддержи­вается ниже потоков боковых струй.

Обосновано также возможное применение эрлифтного насоса совместно с водоструйным. Такая система может применяться для разработки на глубине до 450 м. Для увеличения глубины отработки до 2500 м предлагается кроме использо­вания эрлифта закачивать в образующуюся подземную полость воздух под боль­шим давлением.

Институт горно-химического сырья ведет исследовательские работы по вне­дрению гидродобычи через скважины на месторождениях фосфоритов в Ленин­градской области. Рудный пласт представлен мелко- и разнозернистыми фосфо- ритосодержащими песками с отдельными прослоями песчаников. Налегающие породы представлены глауконитовыми песчаниками, доломитами, доломитизи- рованными известняками и четвертичными отложениями. Общая мощность на­легающих пород до 30 — 40 м. Для отработки рудного пласта через скважины ис- пытывалось несколько схем. Большие водопритоки по хорошо фильтрующим пе­скам заставили применить добычу в затопленном забое. Для выдачи размытых пе­сков был создан эрлифт, позволяющий устойчиво вести выдачу рудной пульпы с Т : Ж = 1 : 1.

Для СГД перспективны все легко диспергируемые, пористые, рыхлые и сла­босвязанные залежи полезных ископаемых. К ним откосятся месторождения тор­фа, песков и гравия для строительной и стекольной промышленности, фосфорит и марганцевосодержащие отложения, рыхлые россыпные месторождения золота и титана, осадочные месторождения редких металлов, мягкие бокситовые руды, би­туминозные песчаники и т. д.

Представляет интерес применение СГД для добычи строительных материа­лов, находящихся на значительной глубине. Метод перспективен, например, для добычи обводненных крупнозернистых песков в районе новых нефтяных место­рождений Тюменской области, залегающих под слоем вечной мерзлоты на глуби­не 40 — 50 м.

Обзор вариантов скважинной гидродобычи, предлагаемых, применявшихся и разрабатываемых, показывает, что все варианты СГД могут быть четко разделены на три основные технологические схемы:

с отбойкой руды свободными незатопленными струями в осушенном очист­ном пространстве;

с отбойкой руды в затопленном очистном пространстве;

с использованием плывунных свойств пород за счет разницы гидравличе­ского градиента (создаваемого или естественного) в соседних скважинах.

Для каждой схемы характерны специфичное оборудование и технология, а также определенная область применения в зависимости от горно-геологических факторов.

Схема с отбойкой руды в осушенном забое позволяет разрабатывать руды значительной крепости, осуществлять эффективную доставку отбитой горной массы от забоя до выдачного устройства, относительно легко управлять очистны­ми работами и горным давлением. Эта схема также характеризуется относитель­но небольшим уровнем потерь и разубоживания и простотой применяемого обо­рудования. В ней обычно применяются гидромониторы с коротким стволом раз­личных конструкций, как встроенные в нижний оголовок, так и выдвижные; в ка­честве выдачного устройства обычно используется гидроэлеватор, позволяющий осушать забой, иногда в комбинации с эрлифтом. К недостаткам схемы можно от­нести относительно высокую энергоемкость гидроподъема при условии осуше­ния этим же агрегатом очистной камеры, что особенно проявляется с увеличени­ем глубины разработки и водопритоков.

Схема с отбойкой руды в затопленном забое позволяет вести отработку не­связных рудных тел в условиях больших водопритоков, а также под водоемами и на шельфе Мирового океана. Она характеризуется благоприятными условия­ми для работы выдачных устройств, в качестве которых могут быть использованы эрлифты и гидроэлеваторы, и может быть применена для разработки на больших глубинах. В отдельных случаях может быть использована выдача за счет гидроста­тического напора в камерах. Однако в связи с быстрым гашением энергии струи в условиях затопленного забоя затруднена отбойка крепких связных пород и требу­ется применение шланговых или телескопических мониторов, удлиняющихся по мере продвижения забоя, что усложняет конструкцию добычного агрегата, требу­ет создания специальных сложных систем для контроля положения и управления гидромонитором. При этом ограничивается также объем отработки на одну сква­жину из условия достаточной устойчивости пород кровли, т. к. при обрушении вы­шележащих пород выдвинугый удлиненный гидромонитор трудно или невозмож­но извлечь. При этом затруднена доставка отбитой горной массы до выдачного устройства и относительно велик уровень потерь. При применении гибких шлан­говых гидромониторов также затруднено управление очистными работами. Все это ограничивает область применения этой технологической схемы СГД.

Схема с использованием плывунных свойств пород, а также с превращением горных пород в псевдоплывунное (подвижное) состояние (за счет разности уров­ней подземных вод или посредством нагнетания через скважины воды и воздуха в пласт и откачки рудной пульпы гидроэлеваторами, эрлифтами или выдачи за счет гидростатического напора в камерах) может быть применена только при рюгаых горно-геологических условиях, определяемых прежде всего свойства­ми разрабатываемых пород,

В отдельных разрабатываемых схемах СГД предполагается использовать дав­ание вышележащих пород для доставки горной массы в псевдоплывунном или -•-ьшунном состоянии к выдачному устройству.

Возможны также различные комбинации указанных схем.

Способ скважинной гидродобычи представляет собой поточный однолиней­ный технологический процесс подземной разработки месторождения полезных

ископаемых, осуществляемый из горных выработок или с водной или земной по­верхности.

Способ базируется на строгом регламенте и неразрывности во времени и про- ггранстве совершаемых технологических операций:

вскрытия с помощью буровых скважин;

гидравлического разрушения (размыва) руды напорной струей воды (в осу­шенном или затопляемом очистном пространстве), дезинтеграции и перевода в за- _-эе разрушенной горной массы в состояние гидросмеси;

доставки (самотечной или принудительной) гидросмеси от забоя до выдач- :юго устройства или пульпоприемной скважины;

выдачи гидросмеси на поверхность к установкам разделения;

управления горным давлением.

Объединив, таким образом, в единый технологический процесс весь комплекс горных операций (от вскрытия и подготовки до очистной выемки и доставки по­лезного ископаемого), гидродобычная скважина действует на рудном поле как са­мостоятельное производственное звено горнодобывающего цеха.

Одной из основных операций технологического процесса гидродобычи через скважины является разрушение руды, осуществляемое, как правило, гидромони­торными струями. Так же как и при традиционных способах гидравлической до­бычи полезных ископаемых (открытом и подземном), при СГД необходимо иссле­довать целый ряд факторов, чтобы добиться высокоэффективной и качественной выемки полезного ископаемого.

К таким факторам относятся следующие:

природные, определяющие сопротивляемость горных пород и руд гидрав­лическому разрушению (вещественный состав, направление и степень трещи- новатости, структура, крепость, пористость, водопроницаемость, смачиваемость и др.);

гидравлические, характеризующие разрушающую способность гидромо­ниторной струи (расход воды через насадку, диаметр насадки, давление и ком­пактность струи) ;

^ - технические, определяющие условия воздей-ствия струи воды на пород­ный массив (расстояние насадки до забоя, угол встречи струи с массивом, ско­рость перемещения струи по забою и др.);

технологические, определяющие порядок выемки, параметры заходки, ко­личество обнаженных плоскостей и др;

Влияние природных факторов при скважинной гидродобыче практически то же, что и при открытых и подземных гидравлических разработках, т. е. сово­купность всех петрографических особенностей, прочностных, водных и других свойств руд определяет в конечном итоге возможность и эффективность приме­нения гидравлического разрушения, потребный напор, удельный расход воды, па­раметры гидроподъема и гидротранспорта, технологию обогащения и размеры хвостохранилища.

Эти же факторы определяют и выбор основного оборудования. 18/