СПОСОБ ОСВОЕНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ НЕДР УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ И ПОДЗЕМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК E21C41/16 E21C45/00 

Изобретение относится к областям горного дела и строительства, в частности к скважинной гидродобыче твердых полезных ископаемых и строительству подземных сооружений.

Достаточно часто после завершения поисковых геологоразведочных работ обнаруживается, что некоторые поселения расположены над залежами твердых полезных ископаемых (ТПИ), например, «Полезные ископаемые села Кузнецкого» - «Шерегешское городское поселение» (http://admsheregech.my1.ru).

В зависимости от современной ценности ТПИ принимается решение о добыче ТПИ на урбанизированной территории, как правило, подземным способом и без своевременной закладки выработанного пространства недр. Такой способ освоения недр урбанизированной территории характерен, например, для поселений, расположенных в Кузнецком угольном бассейне. В Кузбассе во многих городах в городской черте на отработанных шахтных территориях образуются провалы земной поверхности. Например, только в Новокузнецке в пределах горных отводов ликвидированных или ликвидируемых шахт - имени Димитрова, «Новокузнецкой», «Нагорной», «Байдаевской» - выявлено более пятисот с половиной провалоопасных зон, многие из которых расположены в непосредственной близости от жилых построек или промышленных сооружений (http://kuzpress.ru/old/ecology/18-10-2007). В настоящее время в Кемеровской области реализуется государственная программа по закладке выработок, провалов, рекультивации территории, расселении аварийных домов общей стоимостью более четырех миллиардов рублей.

Недостатком способа-прототипа является фрагментарность в управлении просадкой налегающих пород, ограниченных объемом выемочной камеры, и, в этой связи, плохо прогнозируемое образование провала (мульды) на поверхности земли урбанизированной территории, тем более, что расчетное моделирование осложнено, как правило, техногенной нарушенностью приповерхностной части горного отвода, а натурное моделирование может привести к необратимым последствиям.

Поставлена задача - в условиях добычи ТПИ из недр урбанизированной территории обеспечить управление в подземном пространстве процессами добычи ТПИ горными выработками на заданной глубине, закладки горных выработок налегающими горными породами и создания над заложенными горными выработками подземных полостей, оборудуемых по необходимым для населения прилегающей территории функциональным назначениям.

Поставленная задача решается следующим образом.

Способ освоения продуктивных недр урбанизированной территории посредством СГД ТПИ через несколько скважин с закладкой выработанного пространства продуктивной залежи путем обрушения массива налегающих горных пород реализуется в объеме недр, ограниченном шестигранным параллелепипедом, образуемом обсаженными скважинами, пробуренными с поверхности до подошвы залежи ТПИ, при этом верхние и нижние концы обсадных труб механически соединены твердеющим составом, образуя верхнюю и нижнюю жестко связанные шестиугольные конструкции, расстояние между любыми противолежащими углами в которых меньше длины предельного устойчивого пролета массива налегающих на кровлю залежи ТПИ горных пород, обсадные трубы в пределах мощности залежи ТПИ имеют вертикальные фронтальные отверстия, в пределах интервала массива налегающих горных пород - вертикальные щелевые отверстия для выпуска гидромониторных струй и приема пульпы, а закладка полностью выработанной шестигранной выемочной камеры в залежи ТПИ производится посредством щелевой отрезки боковых панелей шестигранного массива налегающих на кровлю выемочной камеры горных пород от окружающего массива пород, приводящей к самообрушению пород в пределах шестигранного параллелепипеда, закладке выработанного пространства и образованию новой вышележащей шестигранной полости.

Описание способа.

В пределах горного отвода на урбанизированной территории определяется площадь рудного поля, размеры и глубина заложения подземной полости для оборудования подземного объекта, целесообразные объемы добычи ТПИ.

С учетом известных геологических и горнотехнических данных об отведенном участке недр выбирается схема, порядок и темп его освоения. Оценивается устойчивость кровли выемочной камеры, рассчитывается, с запасом, длина устойчивого пролета массива налегающих горных пород.

На дневной поверхности в углах правильного многоугольника, расстояние между любыми противолежащими тупыми углами которого всегда меньше длины устойчивого пролета массива налегающих горных пород, разбуривают вертикальные скважины до подошвы залежи ТПИ. Для цели решения поставленной задачи оптимальной фигурой является правильный шестиугольник (комментарий дан в описании конструкции оборудования, реализующего способ). Все скважины обсаживаются по всей длине до подошвы залежи, верхние и нижние концы труб скрепляются в жесткие конструкции (например, монолитятся цементным раствором), образуя верхний и нижний шестиугольники, фиксирующие концы обсадных труб при перемещении горных пород внутри шестигранного параллелепипеда. Нижние концы обсадных труб имеют окна с углом раскрыва 120°, по высоте на всю мощность залежи, сориентированные на ось выемочной шестигранной камеры. Через эти окна производят СГД ТПИ до полной отработки выемочной камеры, затем обсадные трубы перфорируют вертикальными щелевыми отверстиями, сориентированными на соседние скважины, в области массива налегающих горных пород и гидромониторными струями осуществляют щелевую отрезку боковых панелей шестигранного массива налегающих на пустую выемочную камеру горных пород, которые, обрушаясь, закладывают выемочную камеру и создают новую шестигранную полость, например, котлован, пригодный для оборудования функционального объекта.

Описание конструкции оборудования.

Подземное оборудование размещено в шести геотехнологических скважинах и содержит: обсадные трубы, воздухоподающие трубы, водоподающие трубы, пульпоподъемные трубы, снаряженные в нижней части скважинными гидродобычными снарядами эрлифтного и/или гидроэлеваторного типа, причем верхние и нижние концы обсадных труб жестко скреплены монолитными конструкциями, образуя каркас правильного шестигранного параллелепипеда, в любом поперечном сечении которого расстояние между двумя любыми противолежащими углами всегда меньше длины устойчивого пролета массива налегающих на залежь ТПИ горных пород - L.

Обсадные трубы подземного сооружения в зоне залежи ТПИ, на всю ее мощность, имеют вертикальные фронтальные окна с углом раствора 120°, сориентированные на геометрическую ось симметрии выемочной шестигранной камеры. После полной отработки выемочной камеры в стенках обсадных труб в зоне массива налегающих горных пород перфорируют вертикальные щелевые отверстия, сориентированные на соседние скважины. Через вертикальные фронтальные окна производят СГД ТПИ, а через вертикальные щелевые отверстия осуществляют щелевую отрезку шести боковых панелей шестигранного массива налегающих горных пород посредством гидромониторных струй, выпускаемых скважинными снарядами.

Выбор в качестве оптимальной геометрии сечения сборной подземной конструкции правильного шестиугольника обусловлен двумя основными причинами. Первая - приемлемая полнота выемки ТПИ из залежи в пределах участка горного отвода, вторая - приемлемая компенсация двух реактивных сил гидромониторных струй, выпускаемых скважинными снарядами под углом 120°, по сравнению с треугольным (60°), квадратным (90°) и пятиугольным (72°) сечениями, обеспечивающая незначительный загиб снаряда в пределах пространства обсадной трубы и, в этой связи, его безаварийную эксплуатацию.

Иллюстрация изобретения

Способ освоения продуктивных недр урбанизированной территории и реализующую его конструкцию иллюстрируют Фиг. 1-5.

На Фиг. 1 показано исходное состояние геологической среды в пределах участка освоенной хозяйственной деятельностью территории.

Фиг. 2 схематично показывает осуществление СГД ТПИ из продуктивных недр территории.

Фиг. 3 схематично показывает осуществление процесса управляемого обрушения массива налегающих горных пород (закладку выемочной камеры в залежи ТПИ).

На Фиг. 4 показано конечное состояние геологической среды в пределах участка горного отвода.

Фиг. 5 иллюстрирует сборку конструкции скважинного оборудования, обеспечивающую СГД ТПИ и образование котлована для строительства подземного объекта.

Список обозначений позиций на Фиг. 1-5

1 - урбанизированная территория (дневная поверхность земных недр);

2 - продуктивные недра урбанизированной территории;

3 - залежь ТПИ;

4 - кровля залежи ТПИ;

5 - подошва залежи ТПИ;

6 - массив налегающих на залежь ТПИ горных пород;

7 - участок горного отвода;

8 - охранная зона;

9 - выемочная камера в залежи ТПИ;

10 - геотехнологические скважины (обсаженные и снаряженные эрлифтными/гидроэлеваторными снарядами, воздухо/водоподающими и пульпоподъемными трубами);

11 - наземное оборудование для СГД (буровая установка, насосы, компрессор, энергоснабжающее оборудование, транспортные средства и механизмы, бытовая структура и др.);

12 - выдачные пульпопроводы;

13 - карта намыва ТПИ;

14 - отрезные щели боковых панелей шестигранного массива, налегающих на кровлю пустой выемочной камеры, горных пород;

15 - обрушенная в пустую выемочную камеру горная порода (закладка выемочной камеры);

16 - обрушенные по направляющим скважинам шестигранного массива налегающие горные породы;

17 - котлован для создания подземного объекта;

18 - монолитное крепление верхних концов обсадных труб скважин;

19 - монолитное крепление нижних концов обсадных труб скважин;

20 - боковые вертикальные щели в обсадных трубах скважин;

21 - фронтальные (120°) окна в обсадных трубах скважин.

Работа изобретения

После проведения комплексного ситуационного анализа современного состояния участка урбанизированной территории 1 и оценки потребности в создании подземного объекта определенного функционального назначения, состояния участка продуктивных недр 2 и оценки ценности залежи ТПИ 3, включая состояние кровли 4 и подошвы 5, а также массива налегающих горных пород 6, принимается решение об освоении данного участка продуктивных недр с выделение горного отвода 7 и охранной зоны 8 (см. Фиг. 1).

На основании горно-геологических данных рассчитывается длина устойчивого пролета массива налегающих на залежь ТПИ горных пород (L, м) и/или площадь устойчивой кровли (потолочины) выемочной камеры 9 и принимаются геометрические параметры сборки подземного оборудования, включающего шесть геотехнологических скважин 10, которые вертикально разбуриваются с дневной поверхности в вершинах правильного многоугольника, расстояния между вершинами противолежащих углов которого меньше L (Фиг. 2).

Все скважины 10 полностью обсаживаются, заполняются трубами для подачи воды, воздуха и выдачи пульпы, снаряжаются эрлифтными или гидроэлеваторными снарядами. Верхние концы труб связываются жестким монолитным креплением 18, сечение I-I (Фиг. 5), а нижние - жестким монолитным креплением 19, сечение IV-IV (Фиг. 5). В зоне залежи ТПИ, на всю ее мощность, обсадные трубы имеют фронтальные окна 21 для выпуска гидромониторных струй и впуска пульпы ТПИ (сечение III-III Фиг. 5).

На дневной поверхности 1 в пределах участка горного отвода 7 располагаются наземное оборудование для СГД 11, выданные пульпопроводы 12 и карта намыва ТПИ 13, обеспечивающие осуществление процесса СГД ТПИ с сохранением устойчивости потолочины 4 шестигранной выемочной камеры 3 (Фиг. 2).

После полной выработки выемочной камеры 3 и выдачи через скважины 10 и пульпопроводы 12 на карту намыва 13 всего добываемого объема ТПИ в обсадных трубах, в зоне массива налегающих на пустую выемочную камеру горных пород 6, перфорируют боковые вертикальные щели 20 (сечение III-III Фиг. 5), через которые, с помощью гидромониторных струй, производят щелевую отрезку шести боковых панелей 14 шестигранного массива налегающих горных пород от окружающих сборку подземного оборудования горных пород и осуществляют процесс управляемого обрушения 16 массива налегающих горных пород 6 с одновременной закладкой 15 выемочной камеры в залежи ТПИ 3 и образованием котлована 17 (Фиг. 3 и 4).

Достигнутыми полезными результатами работы изобретения являются (Фиг. 4):

- добытые методом СГД ТПИ, складированные на карте намыва 13;

- заложенная горными породами выемочная камера 15;

- котлован 17 для сооружения подземного объекта;

- ненарушенные за пределами горного отвода 7 и охранной зоны 8 земные недра 2 и урбанизированная территория 1;

- кратковременность техногенного воздействия (дни - недели) на участок продуктивных недр 2 урбанизированной территории 1 в пределах горного отвода 7 при полной контролируемости процесса СГД и обрушения налегающих горных пород в пределах сборной конструкции подземного геотехнологического оборудования.

Пример реализации изобретения

Бакчарское сельское поселение - с. Бакчар - является административным центром Бакчарского района Томской области (координаты райцентра 57°01′ с.ш., 82°04′ в.д.), расположенного в центре самого большого в мире Васюганского болота.

Село, образованное в 1918 году, по данным геологоразведки 1957-1964 гг. и 2006-2014 гг. оказалось стоящим над мощной (до 55 м) продуктивной толщей Бакчарского железорудного проявления, открытого в составе Западно-Сибирского железорудного бассейна в середине 50-х годов 20-го века. Этот факт, при современном положении дел, исключает из промышленного оборота до нескольких десятков миллионов тонн железной руды, залегающей на глубинах 160-220 метров от дневной поверхности в пределах занимаемой селом территории. Такого количества бурожелезняковой руды было бы достаточно для подшихтовки плавильных составов доменных печей (в объеме 10-14% от всего состава шихты) ближайших металлургических комбинатов - ЗСМК и КМК - в г. Новокузнецке соседней Кемеровской области на десятилетия.

Однако без переноса села и создания промышленной, энергетической и транспортной инфраструктуры добыть ТПИ (железную руду) открытым способом невозможно.

Рассматривая, например, (Скобельский B.C., Паровинчак М.С., Лунев В.И. Основные технические решения по добыче железной руды на Полынянском участке Бакчарского месторождения (вариант - открытый способ разработки). Материалы круглого стола "Обсуждение проблем и перспектив освоения Бакчарского железорудного, … месторождений Томской области" (Томск, 16-17 марта 2006 г. ) / Под. общ. ред. В.Г. Емешева, А.В. Комарова, М.С. Паровинчака.- Томск: STT, 2006 - с. 43-44), две возможные схемы вскрытия карьерного поля: продольными траншеями на длину 1250 м (по низу) и поперечными траншеями с длиной 600 м (по низу) с последующим переходом на продольную схему при системе разработки траншейной однобортовой, поперечной с переходом на продольную с вывозкой вскрыши на внешний отвал (в переходный период) и далее на внутренний отвал, имеем следующие показатели:

- средний коэффициент вскрыши 3,56 м³/т;

- объем вскрышных пород в контуре отработки 1819 млн м³;

Для сравнения, объем пирамиды Хеопса (площадь основания 5,3 га, высота 147 м) составляет 2,58 млн м³.

Предлагаемый способ позволяет на территории с. Бакчар производить локальную (точечную) выемку железной руды.

Выполненный согласно теории В.Д. Слесарева (Черней Э.И., Дорошенко А.И., Крикунов М.В. К расчету предельных пролетов при одном из вариантов подземной гидродобычи металла из талых россыпей // Изв.вузов. - Серия "Геология и разведка" Вып. 2, 1978) с учетом данных по пределам прочности на растяжение таких пород кровли, как плотная глина и гетитовая руда (Лукьянов В.Г., Громов А.Д., Пинчук Н. П. Технология проведения горноразведочных выработок, 2-е изд. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 2004), расчет предельного пролета выемочной камеры приводит к значению L≈36 м. Принимая с запасом прочности величину диаметра описывающей шестигранное сечение сборки подземного скважинного оборудования окружности D=35 м<L≈36 м, получаем площадь устойчивой потолочины выемочной камеры и площадь дна котлована равными величине S_П≈S_K≈10³ м². Принимая мощность рудной залежи равной 50 м, оцениваем объем добытой методом СГД руды из одной шестигранной ячейки в 170 тыс. т (или 70 тыс. м³ на карте намыва) и объем котлована для обустройства подземного объекта в 38 тыс. м³.

Учитывая накопленный опыт СГД бакчарской железной руды из одиночных геотехнологических скважин (отчет о проведении опытно-методических работ (ОМР СГД-08) в рамках Государственного контракта от 04.04.2006 г. №ТВ-04-04-2006 «Оценка Бакчарского железорудного проявления для отработки методом СГД» на лицензионном участке ООО «НПО «ТомГДКруда» Западной площади Бакчарского проявления в районе геолого-поисковой скважины №101, с. Бакчар, Томская область / Сост.: В.И. Лунев, А.И. Усенко, И.Б. Бондарчук, В.М. Иванов П.Н. Прокопенко - с. Бакчар, г. Томск, 2008) путем экстраполяции на шестискважинную ячейку можно оценить длительность реализации предложенного способа в 4-6 недель круглосуточной работы.

Принимая во внимание объем и качество добываемой бакчарской железной руды из шестискважинной ячейки можно рекомендовать ее гидрометаллургическую переработку на тонкодисперсное железо для порошковой металлургии (например, по способу, разработанному сибирскими учеными в работе Чинакал Н.А., Барышников Ф.А., Рузинова Н.Л. Извлечение железа из окисленных руд методом выщелачивания // ФТГТРПИ. - 1967. - №2. - с. 88-91).

Таежно-болотистая местность Бакчарского района, наличие в райцентре опорного пункта северного садоводства и род занятий местного населения обосновывают функциональное назначение обустраиваемого в созданном котловане подземного объекта - круглогодично работающего холодильного помещения для хранения пищевой экспортной продукции; дикорастущих и культурных ягод, грибов, дичи и др. (например, биологические и эксплуатационные запасы грибов по Бакчарскому району составляют 1037,6 т и 410,1 т, соответственно [http://www.Bakchar.globalinfo.html]).

Необходимо отметить, что в условиях приведенного примера СГД бакчарской железной руды по способу-прототипу привела бы к неконтролируемому в пространстве и времени мульдообразованию на территории с. Бакчар. Причем граница мульды сдвижения - линия, соединяющая точки земной поверхности с оседанием 15 мм, - представляла бы окружность со средним диаметром около 240 м с провалом в центре (что соответствует площади нарушенных земель ~46 тыс. м²).

Таким образом, предложенные технические решения позволяют в условиях добычи ТПИ из недр урбанизированной территории провести управляемое обрушение горных пород, приводящее к закладке подземной горной выработки и образованию подземной полости (котлована) для строительства подземного объекта, необходимого для нужд населения.

Изобретение относится к области горного дела и строительства, а именно к скважинной гидродобыче твердого полезного ископаемого и строительству подземных сооружений. Способ освоения продуктивных недр урбанизированной территории включает выбор места добычи твердого полезного ископаемого исходя из горно-геологических условий залегания рудной залежи, бурение и обустройство геотехнологических скважин, скважинную гидравлическую добычу твердого полезного ископаемого из подземной горной выработки - выемочной камеры в рудной залежи, закладку отработанного объема выемочной камеры посредством обрушения массива налегающих горных пород. При выборе места добычи твердого полезного ископаемого дополнительно учитывают местные требования и ограничения в эксплуатации данного участка урбанизированной территории. Бурение и обустройство геотехнологических скважин выполняют в виде шестигранной ячейки. Добычу твердого полезного ископаемого и обрушение массива налегающих горных пород производят в объеме недр, ограниченном правильным шестигранным параллелепипедом, образуемом обсаженными скважинами, пробуренными с поверхности до подошвы рудной залежи. Полная закладка выработанного объема производится посредством щелевой отрезки боковых панелей шестигранного массива налегающих на потолочину выемочной камеры горных пород от окружающего ячейку массива горных пород, приводящей к самообрушению горных пород в пределах шестигранного параллелепипеда и образованию новой вышележащей шестигранной полости. Изобретение позволяет реализовать возможность подземной локальной отработки рудной залежи в условиях застройки территории и одновременного создания подземной полости. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ освоения продуктивных недр урбанизированной территории, включающий выбор места добычи твердого полезного ископаемого исходя из горно-геологических условий залегания рудной залежи, бурение и обустройство геотехнологических скважин, скважинную гидравлическую добычу твердого полезного ископаемого из подземной горной выработки - выемочной камеры в рудной залежи, закладку отработанного объема выемочной камеры посредством обрушения массива налегающих горных пород, отличающийся тем, что при выборе места добычи твердого полезного ископаемого дополнительно учитывают местные требования и ограничения в эксплуатации данного участка урбанизированной территории, бурение и обустройство геотехнологических скважин выполняют в виде шестигранной ячейки, добычу твердого полезного ископаемого и обрушение массива налегающих горных пород производят в объеме недр, ограниченном правильным шестигранным параллелепипедом, образуемом обсаженными скважинами, пробуренными с поверхности до подошвы рудной залежи, полная закладка выработанного объема производится посредством щелевой отрезки боковых панелей шестигранного массива налегающих на потолочину выемочной камеры горных пород от окружающего ячейку массива горных пород, приводящей к самообрушению горных пород в пределах шестигранного параллелепипеда и образованию новой вышележащей шестигранной полости.

2. Конструкция для реализации способа по п. 1, включающая геотехнологические скважины, отличающаяся тем, что геотехнологические скважины создают в объеме недр ячейку, ограниченную правильным шестигранным параллелепипедом, образуемым обсаженными скважинами, пробуренными с поверхности до подошвы рудной залежи, при этом верхние и нижние концы обсадных труб механически соединены твердеющим составом, образуя верхнюю и нижнюю жестко связанные шестиугольные конструкции, расстояние между любыми противолежащими углами в которых меньше длины предельного устойчивого пролета массива налегающих на кровлю рудной залежи горных пород, обсадные трубы в пределах мощности рудной залежи имеют вертикальные фронтальные окна с углом раскрыва 120°, сориентированные на ось симметрии шестигранной выемочной камеры, с возможностью осуществления через них скважинной гидравлической добычи руды, а в пределах интервала массива налегающих пород выполнены с возможностью выполнения в них, после завершения отработки выемочной камеры, перфорированных вертикальных щелевых отверстий, сориентированных с возможностью выпуска гидромоторных струй и приема пульпы в процессе щелевой отрезки боковых панелей шестигранного массива налегающих на потолочину выемочной камеры горных пород.