СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 1998 года по МПК E21C45/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при обработке способом скважинной гидродобычи полезных ископаемых из месторождений, на которых применение традиционных способов (подземного или открытого) существенно осложнено горно-геологическими условиями залегания полезных ископаемых или запрещено по экологическим соображениям. В частности, к таким месторождениям относятся алмазоносные трубки в Архангельской области.

Известен 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 (авт.св. N 1372045, кл. E 21 C 45/00, 1988).

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

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, препятствуют размыву продуктивной формации, либо приводят к поломке гидродобычного оборудования. Кроме того, осуществляя процесс размыва продуктивной формации сверху-вниз затруднительно контролировать состояние нижней части скважины из-за постоянного заполнения отбитым полезным ископаемым и обрушающимися породами кровли.

Цель изобретения - повышение эффективности способа скважинной гидродобычи полезных за счет расширения области применения способа при отработке продуктивных формаций, залегающих под неустойчивыми покрывающими породами.

Цель достигается тем, что в способе скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающем вскрытие продуктивной формации добычной скважиной, размещение в ней гидродобычного оборудования, размыв пород кровли в пределах свода естественного равновесия над добычной камерой, гидравлический размыв продуктивной формации и подъем пульпы на поверхность с формированием добычной камеры, вскрытие продуктивной формации осуществляют дополнительно вспомогательными скважинами на площади, контур которой превышает горизонтальные границы свода естественного равновесия, размыв пород кровли ведут до образования полости, ограниченной поверхностью свода естественного равновесия, затем через вспомогательные скважины, расположенные в контуре горизонтальных границ свода естественного равновесия, монтируют железную арматуру с размещением ее нижних концов в полости и закреплением верхних концов над полостью, затем в объеме полости подают твердеющую смесь с образованием искусственной кровли над добычной камерой, причем подачу твердеющей смеси осуществляют до заполнения вспомогательных скважин выше верхней границы свода естественного равновесия, размыв продуктивной формации начинают с формирования в нижней части добычной камеры наклонного днища в форме перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса продуктивной формации, после формирования наклонного днища размыв продуктивной формации осуществляют снизу-вверх с периодическим спуском гидродобычного оборудования в нижнюю часть днища для зачистки и подъема отбитой продуктивной формации и закладывают добычную камеру твердеющей смесью в режиме гидроразрыва через вспомогательные скважины, пробуренные за контуром горизонтальной границы свода естественного равновесия.

На фиг. 1-3 показаны схемы последовательности выполнения операций способа.

Способ поясняется на примере скважинной гидродобычи алмазоносной формации.

С поверхности месторождения бурят добычную скважину 1 и вспомогательные скважины 2 и 3. Добычную скважину 1 и вспомогательные скважины 2 бурят до границы покрывающих пород 4 и продуктивной формации 5. Вспомогательные скважины 3 бурят до проектной отметки продуктивной формации 5. В добычную скважину 1 помещают гидродобычное оборудование 6 и осуществляют размыв покрывающих пород 4 на границе с продуктивной формацией 5. Размыв покрывающих пород 4 осуществляют на величину радиуса размыва R, который вычисляется по известным методикам для данного типа пород (Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. М., Гос. научно-техн. изд-во, ч.1, 1933, с. 56) и определяет горизонтальную границу свода естественного равновесия. В процессе размыва покрывающих пород 4 формируют полость 7, ограниченную поверхность 8 свода естественного равновесия. Вспомогательные скважины 2 на время формирования полости 7 служат в качестве контрольно-наблюдательных, через которые определяют положение поверхности 8 свода естественного равновесия.

После формирования в покрывающих породах 4 полости 7 во вспомогательных скважинах 2 монтируют железную арматуру 9 (например, металлические трубы или остальные канаты), верхние концы которой закрепляют на поверхности. Затем в полость 7 через вспомогательные скважины 2 подают твердеющий раствор до полного заполнения им объема полости 7. Подачу твердеющего раствора осуществляют до тех пор, пока его уровень 10 не превысит верхнюю границу поверхности 8 свода естественного равновесия.

Сформированная таким образом полость 7, ограниченная поверхность 8 свода естественного равновесия после отвердения раствора, представляет собой устойчивую искусственную кровлю, которая посредством стальной арматуры 9, закрепленной на поверхности, и сцеплением раствора с покрывающими породами в скважинах 2 надежно изолирует покрывающие породы 4, находящиеся над сводом, от попадания их в добычную камеру 11.

После образования искусственной кровли в форме свода естественного равновесия в добычной скважине 1 разбуривают твердеющую смесь и проходят скважину 1 до почвы продуктивной формации. Гидродобычной агрегат опускают на забой добычной скважины 1 и начинают размыв продуктивной формации 5 с формированием в нижней части добычной камеры наклонного днища 12 в форме перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса отбитой продуктивной формации. Образование наклонного днища гарантирует безусловное попадание отбитого полезного ископаемого в нижнюю часть конуса, т. е. на забой скважины. Размыв продуктивной формации 5 осуществляют в границах 13 добычной камеры 11, причем отбойку ведут снизу-вверх с периодическим спуском гидродобычного агрегата на забой скважины 1, где скапливается вся отбитая продуктивная формация, которая подъемным устройством гидродобычного агрегата 6 выдается на поверхность. Так как угол наклонного днища превышает угол естественного откоса продуктивной формации, то вся размытая масса скапливается у забойной части добычной скважины и по мере очередного спуска гидродобычного агрегата 6 самотеком под действием силы тяжести поступает в подъемное устройство. Этим самым исключаются потери на почве 12 добычной камеры 11.

В процессе размыва продуктивной формации 5 искусственная кровля в форме свода естественного равновесия предотвращает попадание покрывающих пород 4 в выработанное пространство добычной камеры 11, тем самым исключает разубоживание отрабатываемого продуктивного горизонта 5 и снижает энергозатраты на размыв. Искусственная кровля в форме свода 7 обладает повышенной жесткостью (по сравнению с плитообразной кровлей) и тем самым гарантируется ее устойчивость на период размыва добычной камеры 11. Кроме того, металлическая арматура 9 за счет сцепления с отвердевшим раствором в самой кровле и вспомогательных скважинах 2 и закрепленная концами металлической арматуры на поверхности надежно удерживает саму кровлю над выработанным пространством добычной камеры 11.

Для закладки добычной камеры 11 во вспомогательные скважины 3 подают твердеющую смесь в режиме гидроразрыва. Каналы гидроразрыва 14, распространяясь от вспомогательных скважин 3, будут направлены в сторону выработанного пространства добычной камеры 11, т.к. при и после образования выработанного пространства добычной камеры 11 произойдет перераспределение напряжений, вызванных горным давлением, с уменьшением их значений по направлению к добычной камере 11. Через образованные каналы гидроразрыва 14 твердеющая смесь поступает в добычную камеру 11 и заполняет ее. За время выполнения операции по закладке добычной камеры из скважины 1 осуществляют демонтаж гидродобычного оборудования 6.

Необходимость сооружения вспомогательных скважин 3 при осуществлении данного способа скважинной гидродобычи объясняется двумя причинами: первая - в случае низкой устойчивости вмещающих боковых пород 15 в процессе извлечения продуктивной формации 5 при достижении критической устойчивой площади обнажения этих пород начнется ее обрушение в выработанное пространство добычной камеры 11. Для оперативного контроля за состоянием вмещающих пород 15 во вспомогательных скважинах 3 размещают датчики давления и глубинные репера, которые мгновенно сигнализируют об этом; вторая - для предотвращения дальнейшего обрушения боковых пород и возможной аварийной ситуации через вспомогательные скважины 3 начинают нагнетать твердеющую смесь до полного заполнения ей отработанной части добычной камеры 11. В это время гидродобычной агрегат 6 выводится за кровлю выработанного пространства части добычной камеры 11. После отверждения закладки в нижней части камеры продолжают размыв продуктивной формации в границах 13 добычной камеры таким же образом, как и в начале, т.е. с формирования наклонного днища.

Такой порядок размыва добычной камеры под устойчивой искусственной кровлей и с оперативным контролем состояния боковых стенок камеры позволяет исключить внезапное обрушения боковых пород и поломку гидродобычного оборудования.

Применение данного способа при отработке алмазоносных трубок обеспечивает надежное извлечение алмазоносной формации из добычной камеры, а в случае недостаточной устойчивости боковых пород камеры позволяет оперативно прекратить размыв с одновременной закладкой части отработанной камеры восстановлением устойчивого состояния стенок камеры и продолжением отработки верхней части камеры без выполнения спуска подъемных операций добычного снаряда и сохранения его работоспособности на весь период отработки камеры. Так же применение данного способа отвечает требованиям охраны окружающей среды за счет исключения ведения работ открытым способом или применения подземных горных работ, малоэффективных в условиях неустойчивых вмещающих пород и большой обводненности.

Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых включает вскрытие продуктивной формации добычной и вспомогательными скважинами, формирование на границе покрывающих пород и продуктивной формации искусственной кровли в форме свода естественного равновесия с дополнительным закреплением кровли в покрывающих породах. Ведение гидродобычных работ осуществляют под искусственной кровлей в добычной камере, днище которой сформировано в виде перевернутого конуса. Отбитую часть продуктивной формации из нижней части днища периодически выдают на поверхность. Добычную камеру через вспомогательные скважины закладывают в режиме гидроразрыва. 3 ил.

Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивной формации добычной скважиной, размещение в ней гидродобычного оборудования, размыв пород кровли в пределах свода естественного равновесия над добычной камерой, гидравлический размыв продуктивной формации и подъем пульпы на поверхность с формированием добычной камеры, отличающийся тем, что вскрытие продуктивной формации осуществляют дополнительно вспомогательными скважинами на площади, контур которой превышает горизонтальные границы свода естественного равновесия, размыв пород кровли ведут до образования полости, ограниченной поверхностью свода естественного равновесия, затем через вспомогательные скважины, расположенные в контуре горизонтальных границ свода естественного равновесия, монтируют железную арматуру с размещением ее нижних концов в полости и закреплением верхних концов над полостью, затем в объем полости подают твердеющую смесь с образованием искусственной кровли над добычной камерой, причем подачу твердеющей смеси осуществляют до заполнения вспомогательных скважин выше верхней границы свода естественного равновесия, размыв продуктивной формации начинают с формирования в нижней части добычной камеры наклонного днища в форме перевернутого конуса с углом конусности, превышающим угол естественного откоса отбитой продуктивной формации, после формирования наклонного днища размыв продуктивной формации осуществляют снизу-вверх с периодическим спуском гидродобычного оборудования в нижнюю часть днища для зачистки и подъема отбитой продуктивной формации и закладывают добычную камеру твердеющей смесью в режиме гидроразрыва через вспомогательные скважины, пробуренные за контуром горизонтальной границы свода естественного равновесия.