СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ОБВОДНЕННОЙ КИМБЕРЛИТОВОЙ ТРУБКИ К ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ В РАЙОНАХ С ХОЛОДНЫМ КЛИМАТОМ Российский патент 2000 года по МПК E21C41/16 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной отработке кимберлитовых трубок в районах с холодным климатом, например, якутских алмазных месторождений.

Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых под водоемами, включающий возведение водонепроницаемого целика в виде искусственного замороженного массива горных пород путем бурения скважин, монтаж в них труб замораживающего контура теплообменника и пропускание по трубам хладагента от охлаждающего контура, выемку руды под защитой возведенного целика (см., например, Трупак Н.Г. Специальные способы проведения горных выработок. М.: Углетехиздат, 1951, с.369-370).

Недостатком способа является большая трудоемкость и энергоемкость по созданию целика.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является "Способ разработки месторождений полезных ископаемых под водоемами" (см., например, патент России N 2059814, E 21 C 41/16, Бюл.13, 1996 г.).

Перед началом добычных работ подлежащий к выемке участок месторождения, находящийся под рекой, ограждают водонепроницаемым целиком, в виде искусственно замороженного массива горных пород. В них проходят выработки и бурят скважины, в которых монтируют трубы для прохода хладагента замораживающего контура теплообменника, а на поверхности целика устанавливают радиаторы охлаждающего контура теплообменника, использующего морозный воздух. Движение хладагента осуществляют за счет перепада температур в контурах.

Недостатком известного способа является невозможность использования для замораживания водоносной толщи горных пород, пересекающей кимберлитовую трубку под зоной многолетнемерзлых горных пород.

Естественной технической задачей предлагаемого изобретения является замораживание водоносной толщи горных пород, пересекающей кимберлитовую трубку под зоной многолетней мерзлоты.

Поставленная задача решается следующим образом. Вокруг кимберлитовой трубки основного и вспомогательных стволов по винтовой линии в нисходящем порядке проходят выработку для бурения скважин замораживающего контура, сгруппированных по секциям, и каждую секцию через поверхностные скважины соединяют с охлаждающим контуром на дневной поверхности, а начало витка располагают в зоне многолетней мерзлоты над толщей горных пород водоносного горизонта, и проходку нижележащего витка осуществляют под защитой замораживающего массива горных пород, произведенной из выработки вышележащего витка.

Существенными отличиями предлагаемого технического режима являются:
вокруг кимберлитовой трубки, основного и вспомогательного шахтных стволов по винтовой линии в нисходящем порядке проходят выработку для бурения скважин замораживающего контура, сгруппированных по секциям.

Данное техническое решение позволяет при минимальной длине выработки обеспечить подход к обводненной толще горных пород. В настоящее время созданы и широко используются горные комбайны, которые по осадочным породам (крепостью до 8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова) способны проходить до 10 км в месяц. Наличие на объекте такого проходческого комплекса позволяет обеспечить любой необходимый фронт для бурения скважин замораживающего контура.

Шаг винтовой линии выработки определяют из технических возможностей по бурению скважин, а также с учетом возможностей технического оборудования по установке и эксплуатации замораживающих колонок.

Основной и вспомогательный шахтные стволы располагают внутри кольца из искусственно намороженных горных пород, это в последующем снижает эксплуатационные расходы. Причем начало витка выработки соединяют с основным стволом, а конец витка выработки после выполнения оборота вокруг кимберлитовой трубки соединяют со вспомогательным шахтным стволом.

Для обеспечения вентиляции и запасного выхода при проходке нового витка выработки через интервалы производят сбойку скважинами увеличенного диаметра с выработкой предыдущего витка.

Бурят комплекты под монтаж замораживающих колонок. Расстояние между скважинами, их длина и направление определяют теплофизическими расчетами таким образом, чтобы за период с отрицательными температурами на поверхности замораживался массив в горных породах с образованием искусственно водонепроницаемого целика, конструктивно заданного размера. Смонтированные в скважинах замораживающие колонки группируют (соединяют) по секциям одновременно температурного воздействия на массив. Количество объединенных колонок в секциях определяют теплофизическим расчетом.

Каждую секцию через поверхностные скважины соединяют с охлаждающим контуром на дневной поверхности.

Данное техническое решение обеспечивает замораживание массива на определенной теплофизическим расчетом длине винтовой выработки, где размещен комплект скважин секции. Через скважины, пробуренные с поверхности в начале и конце секций, объединяются наружный охлаждающий контур, выполненный радиаторами, и внутренний замораживающий контур, выполненный замораживающими колонками, смонтированными в скважинах, пробуренных в массиве пород водоносной толщи из винтовой выработки. Расстояние между скважинами, пробуренными с поверхности, определяют расчетом по возможности подачи охлаждающего реагента через сечение трубопровода, вмонтированного в скважинах, и потреблению в замораживающих колонках секции.

Начало витка располагают в зоне многолетней мерзлоты над толщей горных пород водоносного горизонта.

Данное техническое решение позволяет проходку первого витка осуществлять из массива многолетнемерзлых пород, что уменьшает трудоемкость организации технологии замораживания массива.

Техническим решением предусматривается часть первого витка выработки вести опережающим искусственным замораживанием из забоя выработки известными техническими решениями, но этот вариант предусматривается как непредвиденный из-за некачественной документации, полученной при изученности месторождения.

Проходку нижележащего витка осуществляют в замороженном массиве горных пород, произведенной из выработки вышележащего витка.

Данное техническое решение обеспечивает проходку выработки в заблаговременно замороженных горных породах, что обеспечит высокую производительность при проходке.

В то же время возможен контроль за качеством замораживания массива по трассе проходимой выработки из выработки предыдущего витка, что также увеличивает скорость продвижения забоя.

Вокруг кимберлитовой трубки, основного и вспомогательных шахтных стволов по винтовой линии в нисходящем порядке проходят выработку для бурения скважины замораживающего контура.

В скважинах монтируют замораживающие колонки, которые объединяют в секции. Каждую секцию замораживающих колонок посредством двух скважин соединяют с охлаждающим контуром, находящимся на дневной поверхности. Начало витка выработки располагают в зоне многолетней мерзлоты над толщей горных пород водоносного горизонта, а проходку каждого нижележащего витка осуществляют в искусственно замороженном массиве горных пород, произведенном из выработки вышележащего витка.

Пример выполнения способа подготовки обводненной кимберлитовой трубки к подземной отработке в районах с холодным климатом показан на фиг.1, 2, 3, где
на фиг.1 показана принципиальная схема осуществления способа подготовки обводненной кимберлитовой трубки к подземной отработке в районах с холодным климатом - проекция на вертикальную плоскость;
на фиг. 2 - схема группирования секций замораживающего контура по длине витка выработки;
на фиг.3 - схема образования искусственного намороженного целика из выработки, пройденной по винтовой линии в нисходящем порядке.

Кимберлитовая трубка 1 (фиг.1) пересекает толщу 2 водоносных горных пород под зоной 3 из многолетнемерзлых пород. Верхняя часть кимберлитовой трубки отработана карьером 4. Для вскрытия подземных горизонтов 5 проходят основной 6 и вспомогательные 7 шахтные стволы. Стволы 6 и 7 проходят за зоной сдвижения 8 от горных работ при отработке нижнего подземного горизонта.

Над водоносным горизонтом 2 в зоне многолетнемерзлых пород 3 от основного ствола 6 начинают проходку по винтовой линии в нисходящем порядке выработки 9 (фиг.1, 2). Из выработки 9 бурят комплекты скважин 10 для монтажа в них замораживающих колонок, выполненных известными техническими решениями (колонки не показаны). Количество скважин, их длину, расстояние между ними, пространственное положение в массиве определяют теплофизическими расчетами, чтобы за время, когда на поверхности отрицательные температуры, наморозить водонепроницаемый целик 11, причем размеры его были бы таковы, чтобы накопленный холод сохранялся в летнее время.

Установленные в скважинах 10 замораживающие колонки объединяют в секции, рассредоточенные по длине выработки 9.

Каждая секция замораживающих колонок по трубопроводам, смонтированным по двум скважинам 12, пробуренных с дневной поверхности (поверхностные скважины 12), соединена теплообменником 13 в виде системы радиаторов.

Система трубопроводов по теплообменнику 13, трубопроводов в поверхностных скважинах 12, трубопроводов по выработке 9 и замораживающих колонок образует единый замораживающий контур секции. Замораживающий контур заполняют текучим хладоносителем, например фреоном. Движение хладоносителя по замораживающему контуру осуществляют принудительно с помощью насосов (не показаны) или за счет разности температур в замораживающих колонках, расположенных в массиве горных пород, и радиаторах 13, установленных на дневной поверхности.

Расстояние между поверхностными скважинами 12 определяют теплофизическими расчетами и экономическими соображениями.

Нижеследующий виток выработки 14 (фиг.3) проходят в замороженной зоне 11, полученной посредством скважин 10 с замораживающими колонками из выработки 9.

Толщину искусственно намороженного водонепроницаемого целика определяют расчетом и контролируют при бурении комплекта скважины из нижеследующего витка выработки 14.

Шаг винтовой выработки 9 (расстояние по вертикали от выработки 9 до выработки 14) определяют из технических возможностей замораживающих колонок и бурового оборудования, а также по экономическим соображениям. Шаг винтовой выработки могут изменять по мере ее проходки.

Пример выполнения способа подготовки обводненной кимберлитовой трубки к подземной обработке в районах с холодным климатом.

За зоной сдвижения от подземной отработки нижнего горизонта кимберлитовой трубки 1 проходят основной и вспомогательные шахтные стволы известными приемами водоподавления при проходке водонасыщенной толщи 2 горных пород.

Из основного ствола 6 в зоне 3 многолетней мерзлоты над водоносной толщей 2 начинают проходку по винтовой линии в нисходящем порядке выработки 9 вокруг кимберлитовой трубки 1 и основного и вспомогательного шахтных стволов 6, 7. На дневной поверхности над трассой, где будет проходить выработка 9, монтируют радиаторы 13 охлаждающего контура.

С дневной поверхности бурят скважины 12 для прокладки трубопроводов от охлаждающих радиаторов до замораживающего контура (колонки). Расстояние между скважинами равно длине секции комплекта, в которую объединены одновременно работающие замораживающие колонки.

Производят монтаж трубопроводов в секции охлаждающего и замораживающего контуров. Монтируют необходимую запорную аппаратуру и аппаратуру за наблюдением температуры в горном массиве и при необходимости насосы для перемещения хладоносителя по трубопроводам и автоматику управления замораживающим комплексом.

Из выработки 9 бурят комплекты скважин 10 и монтируют в них охлаждающие колонки. Заполняют системы трубопроводов секции жидким хладоносителем, например фреоном.

В период отрицательных температур на поверхности включают в работу замораживающий комплекс. Охлажденный в радиаторах 13 хладоноситель через трубопроводы 12 поступает в замораживающие колонки в скважинах 10. Направление движения хладоносителя показано стрелками на фиг.2. Происходит замораживание массива 11 и накопление холода. Движение хладоносителя по трубопроводам ведется за счет разности температур в радиаторах и замораживающих колонках или принудительно насосами.

Размеры искусственного намороженного водонепроницаемого целика и накопленного в нем холода за зимний период должны обеспечить (по теплофизическим расчетам) надежную работу в летний период, когда замораживающий комплекс выключен.

В искусственно замороженном массиве ведут проходку нижележащего витка выработки 14. Контроль за качеством замораживания ведут при бурении комплектов скважин из выработок 9 и 14.

Продолжительный холодный зимний период в Якутии, где расположены кимберлитовые месторождения, позволяет накапливать в массиве достаточно холода, чтобы за короткое летнее время сохранить водонепроницаемость искусственно намороженного целика.

Способ относится к горной промышленности и может быть использован при подземной отработке кимберлитовых трубок в районах с холодным климатом, например якутских алмазных месторождений. Способ включает в себя возведение водонепроницаемого целика в виде искусственно замороженного массива горных пород путем бурения скважин, монтажа в них труб замораживающего контура, пропуска по трубам хладагента от охлаждающего контура в период отрицательных температур на поверхности. Вокруг кимберлитовой трубки, основного и вспомогательного шахтных стволов по винтовой линии в нисходящем порядке проходят выработку для бурения скважин замораживающего контура, сгруппированных по секциям. Каждая секция через поверхностные скважины соединена с охлаждающим контуром на дневной поверхности. Начало витка располагают в зоне многолетней мерзлоты над толщей горных пород водоносного горизонта. Проходку нижележащего витка осуществляют в замороженном массиве горных пород из выработки вышележащего витка. Способ позволяет повысить эффективность подготовки к отработке обводненной кимберлитовой трубки путем замораживания водоносной толщи горных пород. 3 ил.

Способ подготовки обводненной кимберлитовой трубки к подземной отработке в районах с холодным климатом, включающий возведение водонепроницаемого целика в виде искусственно замороженного массива горных пород путем бурения скважин, монтажа в них труб замораживающего контура теплообменника, пропуск по трубам хладагента от охлаждающего контура в период отрицательных температур на поверхности, отличающийся тем, что вокруг кимберлитовой трубки, основного и вспомогательного шахтных стволов по винтовой линии в нисходящем порядке проходят выработку для бурения скважин замораживающего контура, сгруппированных по секциям, и каждую секцию через поверхностные скважины соединяют с охлаждающим контуром на дневной поверхности, а начало витка располагают в зоне многолетней мерзлоты над толщей горных пород водоносного горизонта, и проходку нижележащего витка осуществляют в замороженном массиве горных пород из выработки вышележащего витка.