комплекс для добычи полезных ископаемых, в частности торфа

Формула изобретения

Комплекс для добычи полезных ископаемых, в частности торфа, включающий смонтированный на платформе подъемник с лебедкой для подъема и заглубления рабочего органа в виде системы соосно расположенных внешней и внутренней труб, последняя из которых в нижней части связана с гидромонитором, пульпопровод, буровую установку, содержащую дизельную установку, нагнетательный насос высокого давления, отличающийся тем, что комплекс снабжен водозаборным насосом со шлангами-трубопроводами, вакуумным насосом, соединенным с пульпопроводом, а платформа выполнена в виде понтона и соединена жесткой сцепкой с тягачом-вездеходом, при этом на платформе установлены взаимосвязанные между собой нагнетательный насос высокого давления, дизельная установка и вакуумный насос, и размещены дополнительные трубы для бурения скважины и наращивания пульпопровода, а рабочий орган снабжен связанным с внешней трубой торфососом, который расположен над гидромонитором, и имеет по всему периметру радиально выполненные отверстия с диаметром не менее 15 мм, гидромонитор выполнен в форме конусного наконечника, перфорированного по всей поверхности, с диаметром отверстий не более 3 мм, причем внешняя труба через вакуумный насос соединена с пульпопроводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горнодобывающей отрасли и может быть использовано в торфяной промышленности для добычи торфа на неосушенных и естественных торфяных залежах.

Известно устройство для добычи торфа на торфяных залежах верхового типа, включающее горизонтальную раму, закрепленную на тягаче, на которой установлен винтовой шнек с кожухом и приводом (SU 1293352, 16.05.1985, МПК Е21С 49/00).

Устройство имеет следующие недостатки - низкую производительность и не позволяет качественно извлекать торф из отдельных генетических слоев залежи с высокой пнистостью. Кроме того, использование винтовых шнеков значительно ограничивает ширину захвата слоя торфа и предопределяет многократный проезд ходового устройства по залежи, что отрицательно сказывается на производительности, экологической безопасности и снижает качество добытого торфа за счет захвата и извлечения древесных остатков в виде корней, пней и стволов неразложившихся деревьев. Это вызывает частую поломку винтового шнека и резкое сокращение выработки на машину при добыче торфа. Работа известного устройства предопределяет стилку и естественную сушку торфа на полях добычи сразу вслед за проходом машины, что вызывает необходимость переработки верхнего породообразующего слоя залежи и проведение затратного эксплуатационного осушения, которое после выработки промышленного слоя торфа приводит к неуправляемым многолетним торфяным пожарам.

Известно устройство, включающее в себя горизонтальную раму, установленную на тягаче, на которой закреплен винтовой шнек с кожухом и вертикальный цепной бар, которые через привод соединены с двумя горизонтальными цепными барами, расположенными в нижней части с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. Вертикальный цепной бар прорезает щель в залежи. По телескопической трубе винтовым шнеком подается на поверхность торф. Торф из залежи выбирается двумя горизонтально расположенными цепными барами (SU 977786, 30.11.82, МПК Е21С 49/00).

Недостатком данного устройства является значительная энергоемкость процесса экскавации торфа из залежи, низкая производительность, высокая экологическая опасность для окружающей среды и низкая надежность сезонной добычи и поставок торфяной продукции.

Известно также устройство для добычи полезных ископаемых, в частности торфа, включающее гидромониторы и торфосос, закрепленный на стреле крана, с помощью которого откачивается торфяная пульпа, которая затем по трубопроводу транспортируется на специальные поля сушки (Веллер М.А. Технология гидрофорфа. М.-Л.: Гоэнергоиздат, 1948, с.10-80).

Устройство для добычи торфа гидравлическим способом представляет собой передвижной кран с длинной стрелой, который по временно проложенным узкоколейным железнодорожным путям подходит к краю карьера. В карьер опускается со стрелы на тросе специальный торфосос, соединенный со шлангом. Через торфосос откачивается торфяная пульпа, которая затем подается в соединенную с ним трубопроводную систему, состоящую из металлических труб большого диаметра. Поворотом стрелы, в определенном секторе карьера, откачивается торфяная пульпа, образуя карьер размерами 125×45 м.

Недостатком данного устройства является низкая надежность в работе, частое опрокидывание самого крана, сползание его в карьер, длительная перекладка временных путей, обрыв торфососа и т.д. Кроме того, торфосос часто самостоятельно углубляется в подстилающий залежь минеральный грунт, что вызывает его поломку и резко снижает качество сырья - торфа - за счет минерализации торфяной пульпы (повышения зольности торфа).

Известно устройство, включающее в себя нагнетательные и пульповыдачные скважины, соединенные соответственно с напорными и откачивающими насосами, гидромонитором и пульпопроводом. Нагнетательные скважины состоят из струеформирующих приспособлений в виде перфорированных труб, соединенных гибким водоводом, для подачи воды под давлением. Трубы соединены с гидроцилиндрами для перемещения агрегата, распределителями давления воды в системе и лебедками для перемещения конструкции по штреку. Подъем разрушенной породы в виде пульпы осуществляется с помощью эрлифтов, гидроэлеваторов или гидроэлеваторно-эрлифтовых устройств (SU 1435777, МПК Е21С 25/60, Б.И. 1988, 41, с.123, SU 1645498, МПК Е21С 25/60, Б.И. 1991, 16, с.87).

К недостаткам устройства для скважинной гидродобычи угля следует отнести - сложность конструктивных решений, стационарность на длительный период работы и, как следствие, значительные затраты по его перемещению на новое место. Расчлененность на отдельные агрегаты - добычные скважины и пульповыдачную скважину - наличие специальных струеобразующих труб, а также систем лебедок и гидроцилиндров снижает надежность и управляемость комплекса, увеличивает вероятность поломок и уменьшает его производительность.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является техническое решение, включающее смонтированный на платформе подъемник с лебедкой для подъема и заглубления рабочего органа в виде системы соосно расположенных внешней и внутренних труб, последняя из которых в нижней части связана с гидроманитором, пульпопровод, буровую установку, содержащую дизельную установку и нагнетательный насос высокого давления (Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. М., изд. «Недра», 1986 г., с.93-95, 234-237).

Недостатком данного устройства является невозможность его применения для добычи таких полезных ископаемых, как торф на торфяных месторождениях, большая масса, а следовательно, метало- и энергоемкость, стационарность буровой установки, кроме того, оно не позволяет обеспечить экологическую безопасность при работе.

В основе настоящего изобретения лежит задача по сокращению затрат на добычу торфа, обеспечение его экологической безопасности, повышение надежности, сокращение сроков ввода площадей в эксплуатацию, удлинение сезона добычи торфа и переход на круглогодичное производство, снижение энерго- и металлоемкости и повышение выработки на одного работающего, полная ликвидация пожароопасности как во время добычи торфа, так и на выработанных технологических площадях, повышение качества добываемого сырья и полное исключение зависимости добычи торфа от погодных условий.

Поставленная задача достигается тем, что комплекс для добычи полезных ископаемых, в частности торфа, включающий смонтированный на платформе подъемник с лебедкой для подъема и заглубления рабочего органа в виде системы соосно расположенных внешней и внутренних труб, последняя из которых в нижней части связана с гидромонитором, пульпопровод, буровую установку, содержащую дизельную установку, нагнетательный насос высокого давления, согласно изобретению снабжен водозаборным насосом со шлангами-трубопроводами, вакуумным насосом, соединенным с пульпопроводом, а платформа выполнена в виде понтона и соединена жесткой сцепкой с тягачом-вездеходом, при этом на платформе установлены взаимосвязанные между собой нагнетательный насос высокого давления, дизельная установка и вакуумный насос и размещены дополнительные трубы для бурения скважины и наращивания пульпопровода, а рабочий орган снабжен связанным с внешней трубой торфососом, который расположен над гидромонитором, и имеет по всему периметру радиально выполненные отверстия с диаметром не менее 15 мм, гидромонитор выполнен в форме конусного наконечника, перфорированного по всей поверхности, с диаметром отверстий не более 3 мм, причем внешняя труба через вакуумный насос соединена с пульпопроводом.

При диаметре отверстий менее 15 мм происходит быстрое тампонирование их (корнями, мелкими фракциями) и резкое снижение производительности торфососа. Диаметр отверстий не более 3 мм на поверхности гидромонитора позволяет обеспечить непрерывный режим размыва и размельчения торфяной залежи на расстоянии до 2-3 м, образуя сферу вокруг гидромонитора, причем струи воды толщиной 3 мм обладают не только размывающей энергией, но и обеспечивают размыв налипшего слоя на погребенных пнях, корнях, которые, высвобождаясь от окружающего их торфа, постепенно оседают на придонный защитный слой. При диаметре отверстий более 3 мм происходит не тонкоструйный размыв и измельчение торфа в залежи, а перемещение торфа, корней, крупных кусков к стенкам области размыва. Резкое снижение энергии размыва в 1,5 раза при диаметре 4 мм и в 2 раза при диаметре отверстий 5 мм и т.д. снижает качество процесса размыва, качество и количество торфяной пульпы. Происходит «фонтанный» выброс воды вверх по скважине через пространство между внешней трубой и торфяной залежью.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где

на фиг.1 представлен комплекс на месторождении торфа, вид сверху;

на фиг.2 представлен комплекс в объемном изображении, вид сбоку;

на фиг.3 - схема работы комплекса, вид в плане;

на фиг.4 - схема работы комплекса, разрез;

на фиг.5 - сечение труб по разрезу А - А (фиг.4).

Комплекс для добычи полезных ископаемых, в частности торфа, включает смонтированный на платформе 1 подъемник 2 с лебедкой для подъема и заглубления рабочего органа в виде системы соосно расположенных внешней 3 и внутренних 4 труб, последняя из которых в нижней части связана с гидромонитором 5, пульпопровод 6, буровую установку 7, содержащую дизельную установку 8, нагнетательный насос 9 высокого давления, при этом комплекс снабжен водозаборным насосом 10 со шлангами-трубопроводами 11, вакуумным насосом 12, соединенным с пульпопроводом 6, а платформа 1 выполнена в виде понтона и соединена жесткой сцепкой 13 с тягачом-вездеходом 14, при этом на платформе 1 установлены взаимосвязанные между собой нагнетательный насос 9 высокого давления, дизельная установка 8 и вакуумный насос 12 и размещены дополнительные трубы 15 для бурения скважины и наращивания пульпопровода 6, а рабочий орган снабжен связанным с внешней трубой 3 торфососом, который расположен над гидромонитором 5 и имеет по всему периметру радиально выполненные отверстия 16 с диаметром не менее 15 мм, гидромонитор 5 выполнен в форме конусного наконечника, перфорированного по всей поверхности, с диаметром отверстий не более 3 мм, причем внешняя труба 3 через вакуумный насос 12 соединена с пульпопроводом 6.

Устройство работает следующим образом. С помощью лебедки, установленной в верхней части подъемника 2 на буровой установке 7, соединяют и последовательно заглубляют соосно расположенные внешние 3 - для откачки и внутренние 4 - для нагнетания воды в скважину трубы, соединенные соответственно с торфососом 16 в нижней части внешней трубы 3 и с гидромонитором 5. Вода подается нагнетательным насосом 9 высокого давления в нагнетательную внутреннюю трубу 4 и выходит тонкими сферообразующими струями через гидромонитор 5 с отверстиями 17 диаметром не более 3 мм в торфяную залежь, формируя при этом сферическую область разрушения, которая сразу же заполняется торфяной пульпой. Торфяная пульпа непрерывно откачивается с помощью торфососа 16 и поступает через полость между нагнетательной внутренней 4 и внешней 3 трубами через вакуумный насос 12 посредством патрубка в пульпопровод 6, а затем, транспортируясь по наращиваемому пульпопроводу 6, попадает в модульный цех 18 для обезвоживания на центрифуге 19, гранулирования, сушки и пакетирования на оборудовании 20. Далее продукция из торфа транспортом 21 доставляется потребителю. Отверстия 17 для откачки торфяной пульпы у торфососа 16 в диаметре составляют не менее 15 мм, т.е. в 5 раз больше, чем у гидромонитора 5, и расположены радиально по всему периметру торфососа 16, что позволяет обеспечить требуемое качество торфяной пульпы и ее своевременную откачку через торфосос 16. Для перемещения понтона 1 с оборудованием он посредством жесткой сцепки 13 соединен с тягачом-вездеходом 14 типа «амфибия», который может преодолевать непроходимые участки любого по обводненности торфяного месторождения.

Комплекс для добычи полезных ископаемых, в частности торфа, реализуется путем скважинной гидродобычи торфа (СГДТ) следующим образом.

На торфяном месторождении (фиг.1) выбирают первоочередной участок добычи с промышленной глубиной торфяной залежи. В пунктах по трассе заранее размеченных скважин 22, последовательно, с помощью вездехода-тягача 14 помещают понтон-платформу 1, на которой расположено оборудование в виде буровой установки 7. Затем производят бурение скважины под высоким давлением и размыв породы - торфяной залежи, причем размыв породы и откачку пульпы осуществляют одновременно в непрерывном режиме и размыв проводят сферообразующими струями воды от верхнего породообразующего слоя (h_п.с. ) до глубины защитного придонного слоя (h_з.с. ), составляющего не менее 0,5 м от минерального, подстилающего торфяную залежь грунта. После чего торфяную пульпу транспортируют по пульпопроводу 6 в модульный цех 18 для искусственного обезвоживания и дальнейшей переработки торфа - прессования, смешивания, грануляции, сушки и отгрузки готовой торфяной продукции на склад, причем в процессе обезвоживания отжатую воду возвращают по трубопроводу 23 в торфяную залежь, обеспечивая водооборотную, замкнутую систему водоснабжения.

В начале размыва торфяной залежи воду из водоема-озера подают водозаборным насосом 10 по шлангу-трубопроводу 11. После того как начинается процесс обезвоживания и срабатывает замкнутая система водоснабжения, насос 10 с трубопроводом 11 отключают. Подачу воды ведут по трубопроводу 23 водооборотной системы. С помощью подъемника 2 на буровой установке 7 пробуривают верхний породообразующий слой залежи (около 0,5 м) конусным наконечником гидромонитора 5 с одновременной подачей воды под высоким давлением в конусный наконечник гидромонитора 5 тонкими струями через отверстия 17 диаметром не более 3 мм. Вслед за рабочим конусным наконечником гидромонитора 5 в уже размытую торфяную залежь заглубляют торфосос 16, имеющий по периметру отверстия 17 диаметром не менее 15 мм, через которые в непрерывном режиме вакуумным насосом 12 откачивают торфяную пульпу и поднимают ее на поверхность. При достижении в зоне добычи консистенции пульпы 5-10% на сухую массу ее с помощью вакуумного насоса 12 направляют по пульпопроводу 6 в модульный цех 18 для ее искусственного обезвоживания на центрифуге, а затем торф прессуют, смешивают, гранулируют, сушат готовую торфяную продукцию и транспортом 21 отвозят ее потребителю. Забор исходной воды для подачи в гидромонитор 5 и начало размыва торфяной залежи осуществляют насосом 10 с трубопроводом 11 из ближайшего водоема - озера, а затем при запуске центрифуги 19 отжатая вода по трубопроводу 23 возвращается в залежь после нагнетания ее через гидромонитор 5 в скважину.

Таким образом, обеспечивается не только водооборотная замкнутая система водоснабжения, но и не нарушается гидрохимический баланс в поверхностных водоемах на данной территории. Размыв торфяной залежи и откачку пульпы производят в зоне добычи одновременно с заглублением всего рабочего органа в виде наконечника-нагнетателя воды - гидромонитора 5, а вслед за ним и торфососа 16 (фиг.2). Размыв проводят, начиная от верхнего породообразующего слоя (h _п.с.) залежи до глубины защитного придонного слоя (h _з.с.), который составляет не менее 0,5 м от минерального грунта. Таким образом, сохраняется верхний породообразующий и нижний - защитный придонный слои торфяной залежи. Глубина выработки при этом составляет h_выраб.=Н ₃-(h_п.с.+ h_з.с. ) м. При достижении глубины, равной h_выраб. =Н₃- h_п.с., размыв прекращают и рабочий орган (гидромонитор 5 и торфосос 16) с помощью подъемника 2 буровой установки 7 извлекают на поверхность. Затем последовательно разъединяют и размонтируют трубы 3, 4, а понтон 1 перемещают с помощью тягача-вездехода 14 на расстояние, равное диаметру размыва залежи скважины 22 (Д_скв. ), и все операции повторяют заново. При перемещении понтона 1 отсоединяют и наращивают только гибкую часть пульпопровода 6, соединяющую через вакуумный насос 12 скважинные внешние трубы 3 с пульпопроводом 6 (фиг.2).

Размыв торфяной залежи производят от верхнего торфообразующего слоя до глубины защитного придонного слоя h_з.с. сферообразующими струями воды. Этим самым обеспечивается сохранность деятельного верхнего слоя, заполненного корнями растущих болотных растений - торфообразователей, сохраняя неразрывность сплавины-покрывала водной среды. Сплавина, как показывают исследования, деятельного и активного слоя должна быть мощностью не менее 0,5 м, чтобы обеспечить ее несущую способность, сохранение корневой системы влаголюбивых растений торфообразователей. Защитный придонный слой, представляющий собой консолидированную плотную торфяную массу на границе раздела торфяная залежь - минеральный грунт, служит противофильтрационным экраном, и его сохранение не позволяет воде фильтроваться в грунт, тем самым сохраняя водно-болотную систему. Минимальная толщина защитного придонного слоя 0,5 м обеспечивает максимально-возможный объем выработки торфа из залежи, сохранение надежного противофильтрационного экрана и при откачке предотвращает попадание в торфяную пульпу высокоминерализованного придонного слоя. Последний фактор не позволяет повысить минерализацию и зольность готовой продукции на основе торфа.

Торфяную пульпу, после искусственного обезвоживания до влажности 55-65%, прессуют или гранулируют, смешивая с модифицирующими компонентами, а затем уже формованную готовую торфяную продукцию сушат в сушильных агрегатах до требуемой влажности определенного вида продукции (биотопливо, сорбенты - поглотители, удобрения и т.д.), фасуют и отправляют на автотранспорте 21 потребителю (фиг.1).

Предлагаемый комплекс для добычи торфа (фиг.3) позволяет достичь экологической безопасности за счет сохранения верхнего торфяного породообразующего слоя. Происходит быстрый возврат торфяного месторождения в евтрофное состояние экосистемы болото-водоем, существовавшее раннее. Полностью исключается возникновение торфяных пожаров на всех этапах добычи и восстановления водно-болотных экосистем, кроме того, полностью исключается сброс болотных сточных вод в открытые водоприемники, сопутствующих осушению болот при всех существующих способах добычи торфа, поскольку данная система имеет замкнутый цикл водопользования.

Кроме того, работа комплекса в 3-5 раз сокращает сроки ввода площадей в эксплуатацию. Он позволяет исключить трудоемкие и длительные (до 5 лет) сроки предварительного и эксплуатационного осушения, проведения большого комплекса болотно-подготовительных работ (корчевание пней, профилирование поверхности технологических карт, закладка дрен и мостов переездов, фрезерование, ворошение, валкование, уборку и штабелирование торфа). При реализации работы комплекса добыча торфа начинается сразу, а не спустя 3-5 лет после подготовки торфяной залежи к эксплуатации, как это имеет место при всех существующих способах добычи торфа. Это очень важно при современных быстрых инвестициях проекта, что существенно и положительно отличает работу данного комплекса от всех ранее существующих.

Изобретение существенно повышает надежность поставки торфяного сырья и получения уже готовой продукции, поскольку замещает более 10 различных торфяных машин и агрегатов, занятых, например, на всех операциях по подготовке залежи к эксплуатации и добыче фрезерного торфа как доминирующего в настоящее время способа добычи. Отличительной особенностью реализации данного комплекса является удлинение сезона добычи торфа, как минимум, в 3 раза от реально существующих в торфяной отрасли, с 3 до 9 месяцев, а для некоторых стран и климатических зон делает его круглогодичным, чего не имеют все существующие способы добычи торфа. Его работа полностью исключает зависимость самого процесса добычи торфа и получение готовой продукции от погодных условий.

По сравнению с широко распространенным в России, Финляндии, Канаде и странах Балтии и считающимся в настоящее время доминирующим комплексом для добычи фрезерного торфа с раздельной уборкой из наращиваемых валков предлагаемый комплекс для добычи полезных ископаемых (торфа) позволяет снизить в 8-12 раз энергетические и капитальные затраты. Например, расчеты и практика показывают, что при объеме добычи торфа 50 тыс.тонн за сезон металлоемкость на 1 тонну добытого торфа с помощью предлагаемого комплекса по способу СГДТ меньше в 25 раз, а производительность труда возрастает на одного рабочего более чем в 9-15 раз. Комплекс при реализации позволяет сократить более чем в 70 раз (250 га - фрезерный комплекс и 3,5 га предлагаемый) размеры земельного и горного отводов (при одинаковой - 50-ти тыс.тонн годовой программе добычи торфа). Это соответственно существенно снижает арендную плату за недра и землепользование, а также практически полностью исключает затраты на рекультивацию больших площадей, остающихся после добычи торфа фрезерным способом, а кроме того, позволяет свести к минимуму ущерб фауне и флоре, который весьма существенен при всех известных комплексах добычи торфа. Работа комплекса также полностью исключает возникновение пожаров как в процессе добычи торфа, так и после нее.