Горно-геологические аспекты применения скважинной гидротехнологии
Общая технологическая схема СГД
Отработка месторождения полезных ископаемых способом СГД ведется через одиночные скважины или системой взаимодействующих скважин.
Общая технологическая схема СГД заключается в следующем (рис. 19.1). Бурят эксплуатационные скважины обычно диаметром 200—400 мм до продуктивного пласта. В скважине монтируют гидродобычной снаряд, который присоединяют к трубопроводам воды и воздуха (для эрлифта). Высоконапорным насосом из поверхностного водоема по трубопроводу подают воду в скважинный гидродобычной снаряд на размыв продуктивного пласта, а образующуюся гидросмесь поднимают на поверхность, где самотеком или с помощью землесосной установки подают на обогащение. Вода после осветления возвращается в водоем.
Применяются тритехнологические схемы выемки, подразделяемые в зависимости от направления разрушения и доставки горной массы в подземной камере: встречным забоем, попутным забоем и комбинированная схема,когда выемку первоначально ведут по схеме встречного забоя, а зачистку дна камеры и размыв межкамерных целиков по схеме попутного забоя.
Рис. 14.1 Технологическая схема скважинной гидродобычи полезных ископаемых:
1 — гидродобычной агрегат, 2 — скважинный гидромонитор, 3 — скважинный пульпо-
подъемник, 4 - землесос, 5 — обогатительная фабрика, 6 — водоприемный бассейн, 7 —
насосная, 8 — водопроводы, 9 — компрессорная, 10 — воздухопроводы, 11 — добычные
скважины,12 — буровые станки, 13 — трубоукладчик
При выемке встречным забоемразрушение и доставка противоположны по направлению. Она обычно применяется при неустойчивой кровле пласта, в затопленной камере, на пластах средней и большой мощности и при большом содержании валунистого и крупнообломочного материала. Выемка попутным забоемиспользуется при устойчивой кровле и небольшой мощности продуктивного пласта. Она позволяет снизить потери полезного ископаемого на дне камеры.
В ряде случаев, когда продуктивный пласт представлен несвязанными породами, нередко обладающими плывунными свойствами, гидромониторное разрушение пласта не производится, а выемка ограничивается переводом пород во взвешенное состояние у скважины и подъемом гидросмеси на поверхность.
Факторы, определяющие возможность использования скважинной гидротехнологии.
Успешная разработка месторождения способом СГД прежде всего зависит от физико-геологических условий, главными из которых являются возможность перевода руды в подвижное состояние и осуществление управления толщей налегающих пород. При этом мощность пласта, глубина его залегания и ценность руды должны обеспечить рентабельность добычи.
Геотехнологическим свойством руды, которое обеспечит возможность перевода его в подвижное состояние, является прочность пород рудного пласта. Именно этот фактор, в основном, определяет параметры технологии и оборудования СГД.
С этой точки зрения можно выделить следующие три типа месторождений:
1) рудная толща представлена рыхлыми породами, имеющими плывунные свойства (наиболее благоприятные для СГД);
2) для разрушения рудного пласта требуется гидромеханическое или тепловое воздействие;
3) для разработки необходимо предварительное механическое, биологическое или химическое ослабление прочности пород рудной толщи.
Существенно влияют на параметры технологии СГД мощность и прочность покрывающих пород.Мощные, монолитные, прочные породы кровли могут обеспечить наибольшее извлечение и незначительное разубоживание. И наоборот, при неустойчивых покрывающих породах технология добычи усложняется, а потери и разубоживание руды увеличиваются.
По гидрогеологическим условиям месторождения можно подразделить на сухие, обводненные, которые можно тем или иным способом осушить, и на месторождения с обильным водопритоком, когда их осушение нерентабельно.
При разработке сухих и осушаемых месторождений гидромониторная струя воздействует на забой, как при разработке на поверхности. Это обеспечивает дальность эффективного разрушения до 20 м, что вполне достаточно для рентабельной гидродобычи большинства полезных ископаемых.
При разработке месторождений с обильным водопритоком процесс добычи ведется в затопленной камере и показатели добычи значительно ухудшаются, так как гидромониторная струя в водной среде эффективно распространяется на небольшие расстояния (до 1—2,5 м в зависимости от давления и расхода воды).
Состояние поверхности также существенно влияет на конструкцию добычного оборудования.
Физико-механические свойства руды определяют важнейшие параметры СГД: удельный расход и потребный напор воды для разрушения и смыва, параметры гидротранспортирования пород, размеры карты намыва. Эти же свойства определяют в значительной степени выбор основного оборудования (насосов, гидромонитора, механизма подъема). И, наконец, от физико-механических свойств руды зависят потери и разубоживание при добыче, измельчение при гидротранспортировании, слеживаемость и водоотдача при складировании.
Физико-механические свойства пород кровли определяют их устойчивость при обнажении в процессе выемки рудного пласта. Устойчивость кровли определяет параметры системы разработки, размеры камеры и порядок ее выемки.
Большое влияние на эффективное применение СГД оказывают форма и элементы залегания рудных тел. Условия контакта вмещающих пород по кровле и подошве определяют потери руды и способы доставки (смыва) в камере. Большую роль играет ценность полезного ископаемого. Угол падения пласта определяет способ доставки разрушенной руды к всасу выдачного механизма и в этом смысле, чем больше угол падения пласта, тем лучше условия доставки в камере.
Глубина залегания определяет конструкцию добычного оборудования и влияет на экономическую эффективность метода. С увеличением глубины залегания себестоимость добычи руды методом СГД увеличивается незначительно. Это позволяет эффективно отрабатывать рудные тела, залегающие на большой глубине или под водоемами, разработка которых традиционными способами или невыгодна, или вообще невозможна. Требования к качеству руды, потерям и разубоживанию в значительной степени определяют параметры технологии и оборудования СГД.
Заболоченность или сложность рельефа поверхности над рудным телом влияет на конструкцию и тип применяемого оборудования для механизации добычных работ, бурового агрегата, трубоукладчика и транспортных средств. Указанное оборудование может быть общепромышленного назначения, в болотном исполнении или с использованием плавучих средств (корабль, понтон, баржа).
Связь параметров технологии СГД с характеристиками физико-геологической обстановки представлена в табл. 14.1
Таблица 14.1
К основным горно-геологическими факторам относятся: содержание полезного ископаемого (компонента) на единицу площади и его балансовые и прогнозные запасы, прочность пород продуктивного пласта, устойчивость покрывающих пород в естественном состоянии, мощность продуктивного пласта, угол залегания пласта, мерзлое или талое состояние пласта и вышележащих пород, обводненность, водопритоки и проницаемость пород, гранулометрический состав пород продуктивного пласта.
Физико-геологические факторы будут определять способ реализации каждой технологической операции СГД (табл.14.2).
Рассмотрим влияние физико-геологических факторов на основные операции выемки полезного ископаемого при СГД
Гидравлическое разрушение производится затопленной или незатопленной гидромониторной струей, фильтрационным потоком и водно-тепловым оттаиванием мерзлых пород.
Механизм процесса первичного гидравлического разрушения характеризуется многогранностью воздействия воды на массив, включая разрушение за счет касательных напряжений, удара, фильтрации.
С точки зрения достижения разрушения горного массива необходимо знать предельное напряженное состояние породы (руды) в данной точке, которое соответствует такому напряженному состоянию, когда малейшее добавочное силовое воздействие нарушает существующее равновесие и приводит породу (руду) в неустойчивое состояние, в массиве возникают поверхности скольжения, разрывы и нарушается прочность между частицами и агрегатами.
Технические факторы гидравлического разрушения при СГД, к которым относятся радиус размыва, угол встречи струи с забоем и скорость перемещения струи по забою, имеют существенные отличия от открытых и подземных гидромониторных разработок из-за отсутствия возможности сохранения расстояния между насадкой и забоем. При открытых и подземных гидромониторных разработках осуществляется постоянная передвижка гидромониторной установки вслед за продвижением забоя, и тем самым, достигается максимальная для данных конкретных условий производительность размыва. При СГД, когда разработка ведется через скважины, расстояние до забоя увеличивается и на определенном удалении от насадки производительность резко снижается и дальнейшая разработка становится не эффективной. Тогда возникает вопрос о выборе рациональной сетки добычных скважин, обеспечивающей рентабельную отработку залежи.
Доставка разрушенных пород к скважине осуществляется путем смыва горной массы гидромониторной струей, самотечного транспортирования или сползания под собственным весом. Выбор способа и параметров доставки зависит от затопленного или незатопленного состояния очистного забоя, мощности продуктивного пласта, угла падения пласта, гидравлической крупности транспортируемой породы и полезного компонента.
Применение смыва разрушенных пород гидромониторной струей наиболее эффективно при выемке в незатопленных условиях и отсутствии достаточного уклона плотика продуктивного пласта. Этот способ доставки применяется обычно на пластах малой мощности.
Самотечная доставка наиболее эффективна при достаточном естественном уклоне плотика (не менее 3% в незатопленных условиях). Она также применяется на пластах средней и выше средней мощности (3 м и более), когда на дне камеры можно создать достаточный уклон в сторону пульпоподъемной скважины.
Способ доставки за счет сползания под собственным весом горной массы к пульпоподъемной скважине используется на пластах большой мощности (десятки и сотни метров) или при большом угле падения продуктивного пласта. Он применяется, когда породы продуктивного горизонта представлены слабо связными породами (железные руды КМА) или структура их предварительно разрушена, например, взрывным способом (скважинная гидродобыча стекольных песков в Румынии и угля из крутопадающих пластов).
Подъем гидросмеси по скважине производится с помощью эрлифта, гидроэлеватора, землесоса и путем вытеснения гидросмеси из подземной камеры избыточным давлением, создаваемым водой или сжатым воздухом.
Эффективность СГД в значительной степени определяется наличием высокопроизводительного надежного и в то же время конструктивно простого оборудования для подъема пульпы с различной глубины. В наибольшей степени поставленным требованиям отвечают подъемные устройства двух типов: гидроэлеваторное и эрлифтное.
Эрлифтный подъем при скважинной гидродобыче в основном не отличается от условий работы эрлифта при водоотливе из шахт и гидроподъеме пульпы при добыче полезных ископаемых со дна морей и океанов. Наряду с существенными достоинствами эрлифта (простота конструкции, дешевизна, возможность регулирования его работы) существуют проблемы, ограничивающие возможность его применения. При использовании эрлифта в качестве основного подъемного устройства при ведении работ осушенным забоем возникает необходимость в перебуре эксплуатационной скважины для обеспечения необходимого погружения воздушной форсунки эрлифта, и, как следствие, требуются дополнительные затраты на бурение. Учитывая это, эрлифт рекомендуется в качестве основного подъемного аппарата для разработки месторождений способом СГД при технологической схеме с затопленным очистным пространством и с использованием плывунных свойств руд.
Эрлифтный подъем отличается надежностью и простотой обслуживания при эксплуатации. Существуют различные типы эрлифтов, но в целом тип подвода пневматической энергии в эрлифт отличается только взаиморасположением воздуховода и пульповода. Особую значимость имеет месторасположение ввода воздуха по длине выдачного трубопровода. Производительность эрлифта определяется не только глубиной ввода воздуха, но и диаметром выдачного трубопровода.
Для того, чтобы эрлифтная установка обеспечивала подъем на поверхность твердых частиц, необходимо, чтобы скорость воды во всасывающей трубе превышала гидравлическую крупность наибольшей частицы, а твердое, поступающее к всасывающему устройству эрлифта, захватывалось потоком и направлялось в подъемную трубу.
Применение в качестве подъемных устройств при СГД гидроэлеваторов обусловлено их положительными свойствами: простота конструкции, отсутствие вращающихся и трущихся деталей, относительная дешевизна, возможность эжектирования пульпы разной консистенции, отсутствие в эксплуатационной скважине проводов, кабелей, пусковой аппаратуры, отсутствие динамической нагрузки на силовые насосы даже в случае срыва работы гидроэлеватора. Но, наряду с положительными качествами, гидроэлеваторы имеют ряд недостатков: относительно низкий коэффициент полезного действия, высокий абразивный износ камеры смешения и некоторых узлов конфузора, снижение эффективности при увеличении высоты подъема.
Обводненность и водопроницаемость во многом определяют возможность применения того или иного способа подъема гидросмеси. Незначительный водоприток в подземную камеру благоприятствует применению гидроэлеваторного или землесосного способов подъема. На ряде месторождений, имеющих разгрузку подземных вод через ранее пройденные открытые или подземные горные выработки или ограниченный источник питания подземных вод, возможна отработка подземной камеры в воздушной среде.
При водонепроницаемых породах непосредственной кровли может быть применен способ подъема вытеснением гидросмеси пород на поверхность за счет избыточного давления воды или воздуха в одиночной подземной камере.
Экономический эффект СГД. Простота основного оборудования предопределяет небольшие капитальные вложения. Дорогостоящие вскрышные работы заменяются бурением добычных скважин. С увеличением глубины разработки затраты на разработку месторождения возрастают незначительно. Попутное обогащение в процессе гидродобычи и гидротранспорта сокращает расходы на переработку руды и улучшает качество концентрата.
Автоматизация поточного гидравлического процесса добычи, доставки, подъема позволяет осуществлять полную автоматизацию производственного процесса.
Экологический эффект СГД. При скважинной гидродобыче создаются благоприятные возможности по обеспечению охраны природы и безопасной работы. Отсутствие вскрышных работ в традиционном смысле позволяет сохранить в целости культурный слой почвы, а при разработке месторождения в затопленной камере — режим поверхностных и подземных вод.
Затраты на рекультивацию поверхности месторождения после СГД незначительны, так как она сводится в основном к ликвидации разведочных и добычных скважин.
Отсутствие взрывных и погрузочных работ и автомобильной откатки практически исключает запыленность и загазованность атмосферы и полностью снимает вопрос вентиляции, как при разработке месторождения глубокими карьерами или шахтами. Тем самым обеспечиваются комфортные условия труда.
Гидравлическая закладка отходами обогащения отработанных камер существенно уменьшает объем хвостохранилищ, являющихся источником запыленности и загазованности окружающей среды: почвы, воздуха и воды.
Поточная технология добычи и транспортирования руды создает возможность комплексной механизации и автоматизации СГД, а также обеспечивает управление добычей из единого диспетчерского пункта.
Технология СГД совместно с гидротранспортом позволяет применить оборотную систему водоснабжения, которая не загрязняет подземные и поверхностные источники и существенно уменьшает расход свежей воды.