СПОСОБ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2006 года по МПК E21C45/00 E21B7/04 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи рыхлых, сыпучих, раздельно-зернистых полезных ископаемых через добычные скважины. Известен широко применяемый способ гидродобычи строительных, фосфоритовых, титан-циркониевых, урановых, золотоносных песков с глубин преимущественно до 100 м. Способ добычи представляет бурение вертикальной скважины со вскрытием пласта полезного ископаемого, крепление нужного интервала скважины трубами, опускание в скважину гидродобычного снаряда, представляющего две-три концентрично расположенные трубы или параллельно, по которым в скважину подают воду под расчетным напором для размыва породы (песков и др. видов) и воздух для эрлифтной системы подъема пульпы. Таким образом размывают породу и поднимают на поверхность. В скважине образуется камера. При определенном ее объеме происходит обрушение верхних пород и выход воронки обрушения на поверхность, что опасно для людей и работающей техники [В.Ж.Аренс. Физико-химическая геотехнология. Издательство Московского государственного горного университета. М., 2001, стр.481-484].

Недостатком такого способа является также то, что прекращение добычи при низком коэффициенте извлечения полезного ископаемого (<15-20%), не вызывающем провала поверхности, в результате чего снижается экономичность, становится нецелесообразным во многих случаях проводить такую добычу полезных ископаемых.

Известен способ разработки месторождений полезных ископаемых по а.с. №1683375, устраняющий опасность образования провала под работающей гидродобычной установкой. Сущность его заключается в бурении не менее двух скважин за зоной сдвижения пород горного массива. Рекомендуется применять дополнительные две скважины вкрест плоскости основных. Создается камера "у концов скважин", в которую будет обрушаться измельченное полезное ископаемое и зависать над камерой крупные обломки крепких пород. Способ предполагается, судя по профилям скважин, применять для глубоких залежей руд в сотни метров. Недостатком этого способа является ограниченность камеры, возможность ее образования только в отдельных случаях благоприятных геологических условий, а также прекращение поступления измельченной фракции полезного ископаемого через массив обломочных пород, т.е. не обеспечивается экономичность при сложности бурения дугообразных наклонных глубоких скважин и невозможно бурение по дугообразному профилю неглубоких скважин из-за большого радиуса кривизны.

Известен также способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых по а.с. №1541388, принятый за прототип, сущность которого заключается в бурении прямолинейной наклонной скважины под углом естественного откоса пород продуктивного пласта, вскрывающей продуктивный пласт, установке в скважине добычного оборудования, разрыхление полезного ископаемого и вынос гидротранспортом на поверхность. Недостатком этого способа является ограниченность объема выемки полезного ископаемого одной скважиной, значительным числом перемонтажа буровой установки на отрабатываемой площади месторождения, низким коэффициентом извлечения породы из массива.

Задачей изобретения является создание технологичного, безопасного способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых, обеспечивающего увеличение полноты выемки их из недр, повышение эффективности использования бурового и добычного оборудования, исключение случаев попадания технологического оборудования в зону подрабатываемых массивов.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании предлагаемого изобретения являются:

- увеличение объема извлечения полезного ископаемого:

- увеличение объема добываемого полезного ископаемого одним комплектом оборудования;

- уменьшение объема строительно-монтажных работ бурового и добычного оборудования на единицу добычи полезного ископаемого;

- обеспечение всесезонной работы по бурению скважин и добыче полезного ископаемого при минимальных затратах в холодное время года;

- повышение уровня безопасности работы технического персонала и поверхностного оборудования.

Решение вышеуказанной задачи и достижение перечисленных технических результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающем установку на одну точку отрабатываемой площади бурового станка, бурение под углом к горизонту добычной наклонной скважины, установку в ней труб, монтаж гидродобычного оборудования, подъем полезного ископаемого на поверхность, согласно изобретению на одну точку отрабатываемой площадки устанавливают буровой станок с возможностью его поворота по азимуту и углу в вертикальной плоскости, с одного положения бурового станка в одной вертикальной плоскости бурят под разными углами к горизонтали несколько добычных наклонных скважин, а именно: первую-под минимальным углом, определяемым максимальной длиной скважины, достигаемой буровым станком, следующую-под максимальным углом, определяемым зоной деформации пород, при котором не происходит деформация пород в зоне установленного оборудования для выемки полезного ископаемого, а остальные добычные наклонные скважины бурят в данной вертикальной плоскости под углами к горизонту α₃, α₄ ... α_п, обеспечивающими максимальное экономичное извлечение полезного ископаемого, аналогично бурят добычные наклонные скважины в других вертикальных плоскостях, поворачивая станок по азимуту на углы γ₁, γ₂ ... γ_п, причем добычу из этих скважин ведут группами параллельно и последовательно, обеспечивая плавное опускание налегающих пород.

Применив для бурения скважины станок типа УЛБ, разработанный и применяемый для горизонтального и наклонного бурения скважин из шахтных стволов, способ позволяет располагать станок в крытом, отапливаемом помещении и этим обеспечить работы в любое время года в любой климатической зоне.

Применение бурового станка типа УЛБ позволяет без перемонтажа его на другое место бурить десятки скважин. При этом добыча полезного ископаемого ведется из одного помещения, что исключает его перевозку от скважин к пункту переработки. Все это значительно повысит экономическую эффективность добычи полезного ископаемого, повысит культуру производства и безопасность труда.

Изобретение иллюстрируют следующие фигуры.

Фиг.1 - радиальное сечение вертикальной плоскостью добычного участка, зона ведения добычных работ скважин представлена кругом с радиусом R.

Продуктивный пласт П и пласт наносов Н.

Фиг.2 - вид сверху сектора добычного участка с углом γ веера скважин и оснований конусов оплывания полезного ископаемого с радиусом r в его кровле.

Способ скважинной гидродобычи раздельно-зернистых пород осуществляют следующим образом.

В центре добычной площадки (предпочтительно круг) в точке О устанавливают на одну точку буровой станок, например УЛБ-130, выпускаемый ФГУП ВИОГЕМ, с возможностью его поворота по азимуту и углу в вертикальной плоскости и бурят с одного положения станка под углом к горизонту α₁ добычную наклонную скважину максимально возможной для станка длины l₁, пересекающую покровный пласт Н и достигающую в точке А подошвы продуктивного пласта П (под минимальным углом). Затем в той же вертикальной плоскости, проходящей через точки А и О бурят вторую добычную наклонную скважину длиной l₂ под максимальным углом α₂ в точку Б, определяемым зоной деформации массива, при котором не происходит деформация пород на поверхности и в зоне установленного оборудования. Между ними в этой же вертикальной плоскости сооружают последующие добычные наклонные скважины длиной l₃, l₄ в точки В и Г на подошве продуктивного пласта П под углами α₃ и α₄ соответственно, устанавливают трубы и монтируют гидродобычное оборудование. Добычу из скважины l₁ и l₂ ведут с плавным оседанием кровли пласта П, что определяется контрольными скважинами или геофизическими методами.

Подключение в работу последующих скважин l₃ и l₄ и отбор из них ведут также с условием плавно опускаемой кровли продуктивного пласта, что определяется углами оплывания полезного ископаемого в данных условиях. Максимальный объем выемки полезного ископаемого из пласта П определяется в сечении плоскостью, проходящей через точки О, А объемом конусов с вершинами А, Б, В, Г, в сечении конусов оплывания - вертикальной плоскостью, проходящей через оси скважин l₁-l₄.

После максимальной выемки полезного ископаемого из скважин в данной плоскости буровой станок поворачивают по азимуту на угол γ₁ или γ₂, показанные на фиг.2, и сооружают новые добычные наклонные скважины в соответствующих радиальных вертикальных плоскостях до точек на подошве продуктивного пласта C₁, C₂ или , , Д₁, Д₂, Д₃ и т.д., повторяя все те же циклы работ, по той же технологии, соблюдая экономичность и полноту выемки полезного ископаемого.

В целях полноты выемки полезного ископаемого возможно сооружение добычных наклонных скважин в двух, трех сменных вертикальных плоскостях дополнительными буровыми установками, а затем одновременное извлечение полезного ископаемого из групп добычных наклонных скважин, находящихся в разных вертикальных плоскостях, остальные использовать для закачки воды в пласт, выполнения других работ, если это будет способствовать плавному опусканию налегающих пород пласта Н.

Работы по бурению добычных наклонных скважин и добыче производят, увеличивая азимутальные углы сечения вертикальными плоскостями и поворачивая станок по часовой или против часовой стрелки до полноты отработки площадки, за исключением сектора с коммуникациями, который отрабатывают при расположении бурового станка за пределами данной площадки, соблюдая тот же принцип отработки оставшегося сектора.

Контроль и управление процессом отработки полезного ископаемого осуществляют как по добычным наклонным скважинам, так и по вспомогательным наклонным или вертикальным.

Практическую применимость заявляемого способа гидродобычи полезного ископаемого показывают примеры конкретного применения.

Пример 1.

Тарская горнопромышленная компания (г.Тара Омской обл.) разрабатывает циркон-ильменитовое месторождение способом скважинной гидродобычи.

Глубина залегания россыпей (пески, гравелистые отложения, алевриты) 47-64 м.

Способ добычи в настоящее время представляет собой бурение вертикальных скважин до кровли россыпей. Крепление скважины трубами, бурение по продуктивному горизонту до подошвы залежи, спуск гидродобычного снаряда, размыв россыпей и подъем эрлифтом пульпы на поверхность в объеме 500-600 м³ из одной скважины. На этом добыча из скважины прекращается, так как происходят обвалы, оплывание стенок скважины с выходом воронки обрушения на поверхность, создания опасных условий нахождения технического персонала и оборудования в зоне лунки обрушения. Иногда это происходит при подъеме обсадной колонны, которой была временно закреплена обычная наклонная скважина глубиной до 47 м.

Для предотвращения провала бурового оборудования в воронку его устанавливают на металлическую ферму размерами более диаметра предполагаемой воронки. Буровую установку с фермой перемещают на другое безопасное место и вновь цикл бурения скважины и добычи полезного ископаемого повторяется.

Недостатком этого способа является низкий объем извлечения полезного ископаемого из единичной скважины, а из площади месторождения в целом ≈17% при принятой сетке бурения добычных скважин Тарской ГПК, опасность для работающего персонала и буровой установки при образовании зоны обрушения.

В условиях Сибири гидродобыча ведется в сезон с положительной температурой воздуха (май-сентябрь, т.е. четыре месяца в году).

Пример 2.

По заявляемому способу в центре выбранной площади месторождения для отработки строят помещения для бурового и добычного оборудования в одном или двух блоках.

В заглубленной части зданий располагают емкости для буровых растворов и пульпы с извлекаемым полезным ископаемым. Размер двухсветного помещения для расположения нескольких буровых станков (достаточно трех) составит ≈300 м². В другой части помещения располагают буровые насосы, компрессоры, другое оборудование для очистки буровых растворов и первичной обработки пульпы с полезным ископаемым.

Производят монтаж бурового станка. Бурят добычную наклонную скважину длиной 200 м под минимальным углом, при котором достигают подошвы пласта полезного ископаемого на глубине 64 м. Расстояние по горизонтали от бурового станка составит ≈190 м. Затем бурят добычную наклонную скважину длиной ≈90 м. Забой ее по горизонтали будет находиться от бурового станка на расстоянии ≈70 м, а возможная зона сдвижения пород на расстоянии ≈30-35 м от здания оборудования. Затем между этими добычными наклонными скважинами бурят еще несколько добычных наклонных скважин в зависимости от угла откоса воронки, образуемой при извлечении полезного ископаемого, и экономически целесообразного коэффициента извлечения полезного ископаемого.

Затем, поворачивая буровой станок по азимуту на расчетный угол влево или вправо, бурят в соответствующих вертикальных плоскостях аналогичные скважины. Буровым станком монтируют в скважинах гидродобычные снаряды и производят добычу из скважин полезного ископаемого по схеме включения их, которая обеспечивает плавное экономически обоснованное оседание налегающих пород пласта Н. Одновременно может производиться бурение скважин в других секторах и добыча в соответствии с обоснованной системой разработки по объему извлечения и экономической целесообразностью.

После отработки площади, за исключением полосы расположения коммуникаций, буровое и добычное оборудование демонтируют и монтируют один буровой станок с комплексом добычного оборудования за пределами отрабатываемой площади для отработки полосы, используемой ранее для коммуникаций.

Площадь залежи, отрабатываемая одним комплексом оборудования в данном случае, может составить 10-12 гектаров. Коэффициент извлечения полезного ископаемого из пласта составит более 60% против коэффициента извлечения в настоящее время ≈17%. Теоретически объем добычи полезного ископаемого из одной скважины при угле естественного откоса ≈30° и мощности пласта 17 м составляет до 30 тыс.м³.

Как видно из примеров 1 и 2, заявляемая совокупность существенных признаков позволят создать безопасный и технологичный способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и обеспечить увеличение объема извлечения полезного ископаемого одним комплектом оборудования и из одной скважины.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи рыхлых, сыпучих, раздельно-зернистых полезных ископаемых через добычные скважины. Обеспечивает увеличение полноты выемки полезного ископаемого и объема извлекаемого полезного ископаемого одним комплектом оборудования, уменьшение объема строительно-монтажных работ, всесезонную работу при минимальных затратах в холодное время года, повышение уровня безопасности работы технического персонала и оборудования. Способ включает установку на одну точку отрабатываемой площади бурового станка, бурение под углом к горизонту добычной наклонной скважины, установку в ней труб, монтаж гидродобычного оборудования, подъем полезного ископаемого на поверхность. На одну точку отрабатываемой площадки устанавливают буровой станок с возможностью его поворота по азимуту и углу в вертикальной плоскости. С одного положения бурового станка в одной вертикальной плоскости бурят под разными углами к горизонтали несколько добычных наклонных скважин. Первую - под минимальным углом, определяемым максимальной длиной скважины, достигаемой буровым станком. Следующую - под максимальным углом, определяемым зоной деформации пород, при котором не происходит деформация пород на поверхности и в зоне установленного оборудования для выемки полезного ископаемого. Остальные добычные наклонные скважины бурят в данной вертикальной плоскости под углами к горизонту α₃, α₄ ... α_п, обеспечивающими максимальное экономичное извлечение полезного ископаемого. Аналогично бурят добычные наклонные скважины в других вертикальных плоскостях, поворачивая станок по азимуту на углы γ₁, γ₂ ... γ_п. Добычу из этих скважин ведут группами параллельно и последовательно, обеспечивая плавное опускание налегающих пород. 2 ил.

Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий установку на одну точку отрабатываемой площади бурового станка, бурение под углом к горизонту добычной наклонной скважины, установку в ней труб, монтаж гидродобычного оборудования, подъем полезного ископаемого на поверхность, отличающийся тем, что на одну точку отрабатываемой площадки устанавливают буровой станок с возможностью его поворота по азимуту и углу в вертикальной плоскости, с одного положения бурового станка в одной вертикальной плоскости бурят под разными углами к горизонтали несколько добычных наклонных скважин, а именно - первую под минимальным углом, определяемым максимальной длиной скважины, достигаемой буровым станком, следующую - под максимальным углом, определяемым зоной деформации пород, при котором не происходит деформация пород на поверхности и в зоне установленного оборудования для выемки полезного ископаемого, а остальные добычные наклонные скважины бурят в данной вертикальной плоскости под углами к горизонту α₃, α₄ ... α_п, обеспечивающими максимальное экономичное извлечение полезного ископаемого; аналогично бурят добычные наклонные скважины в других вертикальных плоскостях, поворачивая станок по азимуту на углы γ₁, γ₂ ... γ_п, причем добычу из этих скважин ведут группами параллельно и последовательно, обеспечивая плавное опускание налегающих пород.