способ скважинной гидродобычи из горных выработок с предварительным осушением полезного ископаемого

Формула изобретения

Способ скважинной гидродобычи обводненных полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта добычной скважиной, оборудованной гидромонитором, размыв полезного ископаемого гидромониторной струей, отличающийся тем, что у почвы отрабатываемой толщи из шахтного ствола или горизонтальной горной выработки закладывают горизонтальную дренажную скважину, предназначенную для предварительного осушения рабочей зоны и создания условий для эксплуатации гидромониторной струи в воздушной среде, при этом разрушение полезного ископаемого происходит под воздействием гидромониторной струи, силы тяжести и возрастающего горного давления в результате снижения уровня подземных вод, что обеспечивает возможность разработки полезного ископаемого с прочностью 3-5 МПа, гидродобычную полого-наклонную скважину сооружают в одной вертикальной плоскости с дренажной скважиной с уклоном к устью, обеспечивающим истечение гидросмеси самотеком и накопление ее в отстойнике, эксплуатация скважин гидродобычного комплекса осуществляется поочередно, вначале включают дренажную скважину, после снижения уровня воды ниже сопла гидромонитора в работу вводят гидромониторное устройство, отработку полезного ископаемого производят поинтервально в направлении от забоя к устью добычной скважины, соответственно извлекая обсадные трубы на отрабатываемый интервал, в целом предлагаемый способ позволяет увеличить размеры добычной камеры по диаметру и по длине, равной протяженности добычной скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горно-добывающей промышленности и предназначено для использования при скважинной гидродобыче (СГД) полезных ископаемых прочностью до 3-5 МПа из горных выработок: стволов, колодцев, зумпфов, горизонтальных горных выработок, с уступов бортов карьеров. Из технического уровня известен способ скважинной гидродобычи добычи полезных ископаемых через вертикальные скважины (СГД) [В.Ж. Аренс. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология), М., «Недра», 1986], а также патент РФ № 51107, Пономаренко Ю.В. и др.

К недостаткам известного способа следует отнести:

- низкая эффективность гидромониторных устройств при их эксплуатации в добычных камерах, заполненных подземными водами и рабочим агентом, поскольку энергия струи быстро гасится сопротивлением водной среды, поэтому разрушающее действие струи ограничивается 0,7 м от сопла гидромонитора;

- ограниченные размеры добычных камер в плане и по высоте;

- заниженные объемы извлечения полезного ископаемого из указанных камер;

- необходимость оборудования гидродобычных скважин гидроэлеваторами или эрлифтными системами для подъема гидросмеси на поверхность;

- возможность разработки горных пород, характеризующихся сопротивлением сжатию менее 3 МПа;

- сложность конструкции гидродобычных скважин;

- необходимость сооружения большого числа гидродобычных скважин, что вызвано небольшими размерами добычных камер;

- высокие эксплуатационные затраты.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков и повышение эффективности геотехнологии СГД полезных ископаемых из горных выработок.

Предлагаемый способ скважинной гидродобычи, устраняющий указанные недостатки, включает: бурение из шахтного ствола горизонтальной горной выработки, с борта карьера и др. у почвы продуктивного пласта горизонтальной или лучевой дренажной скважины, восходящей под углом 2-3° к горизонту с целью предотвращения ее заиления (фиг.1). При водопроницаемости пород почвы не ниже проницаемости продуктивного пласта, дренажную скважину можно закладывать в подстилающих породах. Горизонтальные или лучевые скважины проходят из имеющихся стволов и других горных выработок или из специально пройденных. В неустойчивых породах скважины проходят под защитой «глухой» инвентарной колонны обсадных труб. Глубину горизонтальных (или лучевых) скважин назначают с учетом геолого-гидрогеологических условий и применяемых технических средств. Дренажную скважину по всей длине оборудуют фильтром в соответствии с грансоставом, устойчивостью буримых пород и агрессивностью пластовых вод по отношению к материалу фильтра и задвижкой на устье.

Над дренажной скважиной в одной с нею вертикальной плоскости сооружают восходящую наклонно-пологую гидродобычную скважину под углом 6÷10° к горизонту, что обеспечивает выдачу гидросмеси самотеком (см. фиг.1). Глубина (длина) добычной скважины с учетом положения депрессионной кривой назначается примерно равной длине дренажной скважины. Гидродобычную скважину закрепляют кондуктором, перфорированными трубами, в неустойчивых породах - «глухими» обсадными трубами (при проходке) и оборудуют гидромониторным устройством и задвижкой на устье.

В качестве рабочего агента используют дренажные воды, аккумулируемые в водосборнике или накопителе.

Разработка полезного ископаемого предлагаемым способом осуществляется следующим образом. В начале вводят в эксплуатацию дренажную скважину. После снижения уровня подземных вод в продуктивном пласте ниже положения устья добычной скважины, на что указывает прекращение поступления воды из нее, в работу вводят гидромонитор, эффективность работы которого в воздушной среде многократно возрастает по сравнению с работой затопленной струи.

Отработку полезного ископаемого осуществляют заходками в направлении от забоя к устью добычной скважины. При этом обсадную трубу извлекают поинтервально на величину отрабатываемой заходки.

Разрушение разрабатываемых пород происходит в результате сложения воздействия гидромониторной струи, силы тяжести и возрастающего горного давления, для чего целесообразно гидромониторной струей в начале производить подрезку массива у основания разрабатываемого интервала. Образующаяся при размыве пульпа в соответствии с положением депрессионной поверхности движется к добычной скважине, по которой будет сбрасываться в ствол или горизонтальную горную выработку для последующей перекачки на поверхность.

После завершения этапа разрушения (размыва) полезного ископаемого в рабочей зоне, дренажную скважину перекрывают. Из добычной камеры по скважине с подъемом уровня воды самотеком начинает поступать гидросмесь.

При снижении содержания твердой фазы в гидросмеси до экономически неприемлемого уровня, цикл указанных работ проводят в интервале следующей заходки.

После отработки первой добычной скважины гидродобычный комплекс перемещают вдоль горизонтальной выработки на расстояние, установленное проектом. При СГД из стволов новую гидродобычную скважину намечают с поворотом по азимуту и все технологические операции повторяют.

Технические результаты, которые могут быть получены при внедрении предлагаемого изобретении:

- повышение эффективности работы гидромонитора за счет осушения рабочей камеры и создания условий эксплуатации гидромонитора в воздушной среде;

- многократное увеличение размеров добычной камеры и объема извлечения полезного ископаемого;

- упрощение конструкции гидродобычного комплекса за счет отказа от оборудования добычных скважин устройствами для транспортировки гидросмеси по скважине;

- упрощение управления процессом гидродобычи;

- снижение количества гидродобычных скважин для отработки месторождения (залежи);

- расширение области применения СГД за счет выполнения работ в стволах, колодцах, зумпфах, в горизонтальных горных выработках, а также за счет разработки более прочных пород.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения в целом обеспечит получение значительного экономического эффекта.

Сущность изобретения показана на фиг.1, где пронумерованы: горная выработка - 1, подошва продуктивного пласта - 2, дренажная скважина - 3, гидродобычная скважина - 4, сниженный уровень подземных вод - 5, гидросмесь - 6.

Практическое использование заявленного способа иллюстрируется на следующем примере.

На месторождении фосфатных песков продуктивный пласт средней мощностью 12 м залегает на глубине от 51 до 63 м. Пески преимущественно мелкозернистые полевошпат-кварцевые с глауконитом и с примесью цементирующего карбонатного и алевролитового материала. В кровле песков находится пласт слабопроницаемых мелов, выполняющих роль потолочины. Почва продуктивного пласта представлена обводненными алевролитами и мергелями. На участке СГД средняя мощность аргеллитов составляет 2 м. Верхняя толща обводненных мергелей не превышает здесь 10 м. Воды фосфатных песков, алевритов и мергелей гидравлически связаны и образуют единый напорный горизонт, естественный уровень которого находится на глубине 9 м. Общая мощность водоносного горизонта составляет 24 м. Средние значения коэффициента фильтрации и пьезопроводности соответственно равны 2,6 м/сут и 1,8·10 ⁵ м²/сут.

Предел сопротивления песков на одноосное сжатие составляет 3 МПа.

Месторождение вскрывается системой горизонтальных горных выработок, проходимых по почве продуктивного пласта, то есть на глубине 63 м от поверхности.

Из горной выработки (нормально к ее оси) у почвы рудосодержащих песков установкой лучевого бурения УЛБ-130М бурят дренажную горизонтальную скважину на глубину 120 м диаметром 200 мм, для предотвращения заиления скважину задают с уклоном к устью, равным 0,01-0,02; скважину закрепляют по всей длине обсадными перфорированными трубами диаметром 168 мм и оборудуют задвижкой на устье.

Непосредственно над дренажной скважиной в одной вертикальной плоскости с ней проходят гидродобычную скважину также диаметром 200 мм на глубину 120 м. Скважина закрепляется одновременно с бурением «глухой» колонной обсадных труб на глубину 110 м. Открытым для разработки гидроспособом оставляют первый интервал. Учитывая характер кривой депрессии, формирующейся непосредственно над дренажной скважиной, гидродобычная скважина закладывалась с уклоном к устью 0,05, что необходимо для свободного истечения гидросмеси.

Отработку ведут от забоя к устью скважины, которую после крепления оборудуют гидромониторным устройством.

Напор воды на выходе из насадки гидромонитора назначают равным 20-30 м в.ст. При этом дальность полета струи в воздушной среде рассчитывается по формуле [Мельников Н.В. Краткий справочник по открытым горным работам. М., «Недра», 1974]:

в которой:

к - коэффициент сопротивления воздуха, принятый равным 0,90;

Н _о - напор у насадки гидромонитора, м;

- угол наклона струи рабочего агента к стенке добычной камеры, принятый 90°.

В этом случае

L_м=1,73·0,90·20=31,2 м.

Длина струи, используемая для разрушения пород

L _п=0,3·L_м=9,4 м, что достаточно для образования добычной камеры диаметром ~19 м.

По соображениям сохранения устойчивости стенок и предотвращения обрушения потолочины камеры, дальнейшее увеличение ее размеров в плане нецелесообразно.

Приток к дренажной скважине определяется по формуле [Кравчук С.В. Расчет системы горизонтальных дренажных скважин при защите бортов карьеров от подземных вод (методическое пособие). Белгород, изд. ВИОГЕМ, 1969]:

в которой обозначены:

К _ф - коэффициент фильтрации дренируемых пород, м/сут;

С - коэффициент, определяемый по графику в указанной работе;

h_l - глубина грунтового потока на расстоянии длины скважины от горной выработки;

h₁ - высота высачивания грунтовых вод в горную выработку.

При практических расчетах в связи с малыми значениями величины высачивания по сравнению с h_l, величиной h₁ часто пренебрегают.

Выполненные расчеты показали, что установившийся приток к дренажной скважине составляет 37,5 м³/час.

Уровень грунтовых вод вдоль дренажной скважины снижался интенсивно, а на устье скважины падал в течение непродолжительного времени (менее 0,5 суток) и понижение развивалось в направлении к забою скважины. Осушение рабочей зоны наступало менее чем за одни сутки, о чем свидетельствует прекращение поступления воды из добычной скважины.

По истечении этого периода в работу включают гидромонитор, при этом в качестве рабочего агента используют дренажные или шахтные воды.

В условиях воздушной среды размывание продуктивного пласта происходит практически на всю его мощность. Образуемая при этом гидродобычная камера за время разработки рабочего интервала (заходки) приобретает вид (теоретически) полуцилиндра.

После завершения гидроразмыва пласта, дренажную скважину перекрывают, после чего начинается процесс восстановления уровня воды в гидродобычной камере и выдача гидросмеси в горную выработку. Остаточные объемы полезного ископаемого выдаются через дренажную скважину.

После снижения соотношения Т:Ж<1:30 переходят к отработке следующего интервала.