способ извлечения материалов из мощных подземных формаций

Формула изобретения

Способ извлечения материалов из мощных подземных формаций, включающий вскрытие формации скважиной, размещение в ней скважинного гидромониторного агрегата, формирование свода естественного равновесия над добычной камерой в пределах продуктивного горизонта, размыв пород формации с выдачей пульпы на поверхность, отличающийся тем, что в добычной камере создают избыточное давление, соответствующее условию

Р_камер. Р_пласт.+0.03 МПа,

где Р_камер. - давление рабочей жидкости в добычной камере;

Р _пласт. - пластовое давление,

при этом давление в камере постоянно контролируют датчиками, установленными в нижней и верхней частях подвижной трубы гидромониторного агрегата, а избыточное давление в добычной камере обеспечивают регулированием подачи рабочей жидкости в скважину при качественной гидроизоляции затрубного пространства растворами на основе бентонитовых порошков с условной вязкостью от 50 с до состояния «не течет».

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование свода естественного равновесия над добычной камерой начинают с низа продуктивного горизонта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к скважинной гидродобыче полезных ископаемых в условиях неустойчивых покрывающих пород.

Известно устройство для крепления кровли добычных камер при скважинной гидродобыче полезных ископаемых, обеспечивающее устойчивость свода добычной камеры созданием искусственной кровли. В скважину на обсадных трубах опускается устройство в виде перевернутого зонтика, после его развертывания подают твердеющие смеси, создавая крепь кровли добычной камеры (RU, патент на изобретение № 2101507, МПК⁶ Е21С 45/00, опубл. 10.11.1998). Недостатком способа является то, что обсадные трубы при этом извлечь невозможно или приходится с помощью специального инструмента отрезать нижнюю часть труб, что приводит к значительному удорожанию работ.

Известен также способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, где устойчивость кровли достигается при поочередной отработке добычных камер в виде вертикальных щелей. После выемки первой очереди и их закладки производят отработку щелевых камер второй очереди под защитой искусственного целика (RU, патент на изобретение № 2081324, МПК⁶ Е21С 45/00, опубл. 10.06.1997).

Недостатком данного способа является его ограниченное применение, так как в слабосвязанных обводненных породах происходит оплывание пород и щелевых камер не образуется.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ извлечения материалов из мощных подземных формаций, который включает вскрытие продуктивного горизонта добычной скважиной, размещение в ней гидродобычного оборудования, размыв пород кровли в пределах свода естественного равновесия над добычной камерой, гидравлический размыв продуктивного горизонта и подъем пульпы на поверхность с формированием добычной камеры (RU, авторское свидетельство № 1372045, МПК Е21С 45/00, опубл. 07.02.1988).

Указанный способ предлагает ведение скважинной гидродобычи под сводом естественного равновесия, который формируют в непосредственной кровле до начала размыва продуктивной формации; при этом предполагается, что заранее сформированный свод обладает несущей способностью и препятствует обрушению покрывающих пород в выработанное пространство (за исключением пород, заключенных в объеме свода).

Однако этот способ имеет исключительно малую область применения, при этом его реализация сопряжена с низкой эффективностью или невозможностью применения в условиях неустойчивых вмещающих пород из-за непрогнозируемых обрушений кровли в процессе размыва продуктивной формации. Это в первую очередь связано с тем, что породы кровли, в которых предварительно формируют свод естественного равновесия путем размыва, обладают как малой устойчивостью, так и ярко выраженными реологическими свойствами, т.е. быстро теряют несущую способность при временном протекании процесса. Это приводит к тому, что первоначально сформированный свод естественного равновесия быстро теряет свою устойчивость и перестает выполнять функцию поддержания покрывающих пород, которые, попадая в выработанное пространство камеры, приводят к разубоживанию руды, препятствуют размыву продуктивной формации, либо приводят к поломке гидродобычного оборудования.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения материалов из мощных подземных формаций, включающем вскрытие формации скважиной, размещение в ней скважинного гидромониторного агрегата, формирование свода естественного равновесия над добычной камерой в пределах продуктивного горизонта формации, размыв пород формации с выдачей пульпы на поверхность, в добычной камере создают избыточное давление, соответствующее условию:

Р_камер. Р_пласт.+0.03 МПа,

где Р_камер. - давление рабочей жидкости в добычной камере,

Р_пласт. - пластовое давление.

При этом давление в камере постоянно контролируют датчиками, установленными в нижней и верхней частях подвижной пульпоподъемной трубы гидромониторного агрегата. Избыточное давление в добычной камере обеспечивают регулированием подачи рабочей жидкости в скважину, при качественной гидроизоляции затрубного пространства растворами на основе бентонитовых порошков с условной вязкостью от 50 сек до состояния «не течет». Формирование свода естественного равновесия над добычной камерой начинают с низа продуктивного горизонта.

Сущность изобретения заключается в создании условий, обеспечивающих устойчивость свода естественного равновесия над добычной камерой за счет создания избыточного давления в камере при условии герметизации полости добычной камеры.

Создание избыточного давления в камере, соответствующего условию

Р_камер. Р_пласт.+0.03 МПа,

где Р_камер. - давление рабочей жидкости в добычной камере,

Р_пласт. - пластовое давление,

позволяет предотвратить или значительно уменьшить обрушение пород кровли и снизить разубоживание руды пустыми породами, таким образом, позволяет повысить эффективность технологического процесса и безопасность проводимых работ.

Постоянный контроль давления в добычной камере датчиками, установленными в нижней и верхней частях подвижной пульпоподъемной трубы гидромониторного агрегата, позволяет сделать технологический процесс более управляемым.

Обеспечение избыточного давления в добычной камере регулированием подачи рабочей жидкости в скважину создает превышение давления технологической жидкости в добычной камере над пластовым давлением. Качественная гидроизоляция затрубного пространства растворами на основе бентонитовых порошков (тампонажная смесь) с условной вязкостью от 50 сек до состояния «не течет» обеспечивает герметизацию добычной камеры и позволяет создавать в камере небольшое избыточное давление.

Формирование свода естественного равновесия над добычной камерой с низа продуктивного горизонта формации позволяет предотвратить разубоживание полезного ископаемого породами кровли.

Из анализа научно-технической и патентной информации заявляемой совокупности приемов обеспечения устойчивости свода естественного равновесия над добычной камерой нами не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующим рисунком, где представлен схематический разрез, поясняющий способ извлечения материалов из мощных подземных формаций (скважинная гидродобыча полезных ископаемых в условиях неустойчивых покрывающих пород).

Скважинный гидромониторный агрегат содержит водоподающую колонну (1) с гидромониторными насадками: боковой размывающей (2) и нижней пульпообразующей (3), воздухоподающую колонну (4) со смесителем (5) и пульпоподъемную колонну. Пульпоподъемная колонна состоит из подвижной пульпоподъемной трубы (6), жестко закрепленной на водоподающей колонне (1), и неподвижной пульпоподъемной трубы (7). Затрубное пространство между стволом скважины и неподвижной пульпоподъемной трубой (7) герметизируется тампонажной смесью (8) (раствором на основе бентонитовых порошков с уловной вязкостью от 50 сек до состояния «не течет»), а зазор между подвижной (6) и неподвижной (7) пульпоподъемными трубами - специальным уплотнением (9). В верхней и нижней частях подвижной пульпоподъемной трубы (6) гидромониторного агрегата устанавливаются датчики давления (10, 11).

Изобретение осуществляют следующим образом. С поверхности до продуктивного горизонта известными способами бурят скважину, после проработки ствола скважины, опускают скважинный гидромониторный агрегат.

Зазор между подвижной (6) и неподвижной (7) пульпоподъемными трубами герметизируют специальным уплотнением (9).

Затрубное пространство (кольцевой зазор) гидроизолируют тампонажной смесью (8) на основе бентонитового порошка с максимальной условной вязкостью от 50 сек до положения «не течет», обеспечивающей герметизацию добычной камеры на период ее отработки. Подачу тампонажной смеси в затрубное пространство осуществляют известными способами. После стабилизации тампонажной смеси производят вскрытие подземной формации с помощью скважинного гидромониторного агрегата, при этом разрушение рыхлых или слабо сцементированных пород производится с помощью нижней пульпообразующей гидромониторной насадки (3). После достижения заданной глубины производится размыв продуктивной формации через гидромониторную боковую насадку (2). Для рудных горизонтов, сложенных рыхлыми или слабо сцементированными породами, отработку предпочтительно проводить размывкой рудной формации от подошвы (с низа продуктивной формации). Нижняя насадка (3) поддерживает разрушенную породу во взвешенном состоянии и обеспечивает подачу пульпы к всасывающим окнам (12) подвижной пульпоподъемной трубы (6) пульпоподъемной колонны скважинного гидромониторного агрегата. Подъем пульпы на поверхность осуществляют по неподвижной трубе (7) пульпоподъемной колонны скважинного гидромониторного агрегата за счет подачи сжатого воздуха по воздухоподводящей колонне (4) через смеситель (5). На основе показаний датчиков давления (10 и 11), установленных в верхней и нижней частях подвижной пульпоподъемной трубы (6), регулируют подачу рабочей жидкости (воды) в скважину по водоподводящей колонне (1), обеспечивается небольшое превышение давления в добычной камере над пластовым давлением. При этом давление в добычной камере, в ее нижней части, несколько ниже, чем в верхней части, за счет некоторого разрежения, создаваемого всасывающим устройством добычного снаряда. Разница в отметках между боковой размывающей насадкой (2) и всасывающим окном (12) скважинного гидромониторного агрегата обеспечивает небольшой перепад давлений в камере и формирует движение потока жидкости от забоя (боковых стенок камеры) к подошве формации («всасу» агрегата), при этом происходит формирование нижней части добычной камеры в виде перевернутого конуса. Избыточное давление в верхней части добычной камеры обеспечивает устойчивость пород кровли.

Данный способ был апробирован при добыче погребенных циркон-титановых песков Лукояновского месторождения в Нижегородской области, на Тарском месторождении Омской области и Ордынском месторождении в Новосибирской области.

На Лукояновском месторождении добыча материалов из подземных формаций велась при Р_пласт.=0,15 МПа, с давлением Р_камер. до 3,0 МПа, но не ниже Р_камер.=Р _пласт.+0,03 МПа=0,15+0,03=0,18 МПа, что достигалось непрерывностью технологического процесса и поддержанием уровня воды в скважине при спускоподъемных операциях с гидромониторным агрегатом, обеспечивая избыточное давление в камере более 0,03 МПа.

Применение данной технологии обеспечило низкие потери руды и ее незначительное разубоживание пустой породой при средней производительности по твердому - 23.3 м³/час, без нарушения поверхности на отработанном блоке.

Данное изобретение при отработке месторождений, залегающих среди неустойчивых вмещающих пород, позволяет обеспечить повышение эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых при сравнительно низких затратах за счет предотвращения от разубоживания руды пустыми породами кровли. Кроме того, применение данного способа повышает безопасность при проведении добычных работ и отвечает требованиям охраны окружающей среды, так как не происходит просадки пород кровли и, соответственно, не происходит нарушения почвенно-растительного слоя.