Способ геологического исследования хвостохранилищ и устройство для его реализации Российский патент 2019 года по МПК E02D1/00 E21B49/08 E21B47/02 

Изобретение относится к геологии и горному делу и может быть использовано при геологическом исследований и изучения хвостохранилищ (хранилищ отходов рудообогатительных, углеобогатительных, урановых, иных обогатительных, урано- и золотоизвлекательных фабрик), эфельных отвалов, иных массивов, сложенных на основе тонко дробленных и/или измельченных минеральных масс, в том числе, химически опасных.

Известны способы геологического изучения хвостохранилищ, предусматривающие бурение скважин и извлечение образцов породы, при этом образцы породы извлекаются в виде выбуриваемых кернов Шадрунова И.В., Провалов С.А., Горлова О.Е. и др. Адаптация методов обогащения для доизвлечения золота из лежалых хвостов золотоизвлекательных фабрик. М.ИПКОН РАН, 2009. - 206 с.).

Недостатком этого способа является низкая достоверность процесса получения информации, так как при выбуривании керна из рыхлого массива хвостохранилища, сложенного тонко дробленым и измельченным до микронной крупности материалом, происходит перемешивание материала керна, что исключает возможность оценки структуры массива хвостохранилища по глубине. Другим недостатком способа является невозможность точной привязки содержаний, минеральных форм и физико-механических свойств, физико-химических параметров среды по глубине массива хвостохранилища, что также обусловлено перемешиванием, уплотнением, растворением и т.п.минерального вещества в процессе бурения. В результате бурения оценивают только среднее содержание ценных элементов по глубине опробования Более того, выход керна составляет менее 80% глубины пробуренной скважины, что свидетельствует о высокой компрессии материала и подтверждает низкую информативность способа.

Известен способ геологического изучения хвостохранилищ согласно которому производят извлечение образцов породы, согласно указанному способу для того, чтобы иметь возможность выполнить извлечение образцов породы, хвостохранилище предварительно вскрывают траншеей. (Пунишко О.А. Способы опробования лежалых хвостов золотоизвлекательных фабрик и некоторые закономерности распределения золота в хвостохранилищах//Вестник Иркутского государственного технического университета, 2011. - №10. - С. 157).

Основным недостатком указанного способа является низкая скорость осуществления и высокая экологическая опасность процесса получения информации о структуре хвостохранилища. Однако траншейное вскрытие требует значительных затрат временных и трудовых ресурсов, а также сопряжено с пылением материала, извлекаемом в ходе проходки траншеи.

Известно устройство «Скважинный инструмент для опробования пласта» содержащий инструмент для опробования пласта и инструмент для бурения с отбором керна, инструмент для опробования пласта соединен в рабочем положении с инструментом для отбора керна посредством монтажного соединения.

[Патент РФ №2363846, М. Кл. Е21В 49/00, от 29.06.2004 г. опубл. 10.08.2009 Бюл. №22].

Недостатком данного устройства является невозможность получения достоверной информации на рыхлых грунтах и хвостохранилищах.

Известно устройство для наблюдения стенок буровой скважины содержащее источник света, телевизионную камеру, спускаемую в скважину на кабеле, приемник телевизионного изображения и систему ориентации изображения стенок скважины относительно сторон света, система ориентации изображения стенок скважины относительно сторон света выполнена в виде полого конуса из полупрозрачного материала, в вершине которого размещена телевизионная камера с углом обзора, захватывающим нижнюю часть конуса, и лазерного излучателя, установленного на устье скважины с возможностью перемещения лазерного луча в плоскости, проходящей через центр основания конуса, при этом направление перемещения луча лазера ориентировано относительно сторон света. [Патент РФ №2326243, М.Кл. Е21В 49/00, от 29.06.2004 г. опубл. 10.08.2009 Бюл. №22].

Недостатком указанного устройства является то, что оно не может работать в скважинах, пробуренных в рассыпчатых породах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ визуального обследования скважины, согласно которому производят бурение скважины, опускание в нее видеокамеры на подвесе, визуальное обследование стенки скважины, при этом процесс получения информации о хвостохранилище сводится к визуальному наблюдению внутренней поверхности скважины [Патент РФ №2381360, М.Кл. Е21В 47/00, опубл. 10.02.2010 Бюл. №4 (прототип)]

Недостатком указанного способа является то, что он не предусматривает извлечение образцов материала для последующего детального изучения в лабораторных условиях, что очевидным образом снижает достоверность получаемой информации до уровня оценочных суждений.

Бурение скважин и извлекание керна является наиболее эффективным и достоверным методом визуального наблюдения стенок выработки, однако материал хвостохранилища представлен тонко измельченной, рыхлой породой, которая при спуско-подьемных операциях активно перемешивается, соответственно оценить изменения текстурно-структурных характеристик путем выбуривания керна не предоставляется возможным.

Технический задачей и целью изобретения является расширение диапазона исследовательских возможностей при геологическом изучении хвостохранилищ, повышение безопасности и достоверности получаемой информации об их структуре, т.е. получение достоверных научных данных о структуре хвостохранилища.

Указанная цель достигается тем, что в способе геологического исследования хвостохранилищ, включающем бурение скважины, опускание в скважину видеокамеры, визуальное обследование стенки скважины, согласно изобретению одновременно с видеокамерой в скважину опускают устройство для захвата предметов в ходе визуального обследования стенки скважины выбирают область стенки скважины для отбора пробы материала и фиксируют координаты выбранной области стенки скважины, производят отбор пробы материала из выбранной области стенки скважины при помощи устройства для захвата предметов, извлекают отобранную пробу материала из скважины.

Данный подход позволяет опробовать различные по физико-химическим свойствам породам на интересующем интервале бурения, кроме того проводить непрерывный видеомониторинг стенок скважины с помощью устройства для механического отбора рыхлого сыпучего материала. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для механического отбора рыхлого сыпучего материала, на фиг. 2 (а, б, в, г, д, е) приведены фотографии видеоэндоскопического исследования хвостохранилища.

Устройство для видеоэндоскопического исследования хвостохранилища выполнено в виде устройства для механического отбора рыхлого сыпучего материала и содержит закрепленную на тросах 1 пробоприемную камеру 2, зафиксированный на штанге 3 с нанесенными на ней отметками по глубине распорный механизм с двумя лезвиями 4 выполненный с возможностью вращения вокруг оси 5 и обсадная труба 6.

Способ осуществляется следующим образом.

С поверхности хвостохранилища бурят скважину. Поскольку природа хвостохранилищ имеет рыхлую структуру и высокую влажность скважину обсаживают обсадной трубой. В пробуренную скважину опускают устройство для видеоэндоскопического исследования и для захвата проб. В качестве устройства для захвата проб используют например скребок, щипцы или любое аналогичное приспособление.

Постепенно выбирают обсадную трубу 6 и при помощи видеокамеры выполняют визуальное обследование стенки скважины в ходе которого одновременно выбирают область стенки скважины для отбора пробы материала для последующего извлечения и подробного изучения. Фиксируют координаты выбранной области стенки скважины. В качестве координат используют глубину в скважине, на которой находится исследуемая область стенки скважины, пространственное расположение и ориентация самой скважины, а также любые другие координаты на усмотрение исследователя, осуществляющего способ. Конкретный перечень фиксируемых координат при выполнении способа не влияет на достижение технического результата и может варьироваться в зависимости от конкретных условий выполнения. Производят отбор пробы материала из выбранной области стенки скважины.

Таким образом выполняют точечный отбор образцов породы, что устраняет ошибки при извлечении образцов породы в виде выбуриваемого керна и расширяет диапазон исследовательских возможностей по изучению хвостохранилища. т.е. позволяет извлекать образцы породы для детального изучения в лабораторных условиях, фиксацию координат выбранной области стенки скважины, что позволяет построить пространственную модель исследуемого хвостохранилища и осуществить точную привязку содержаний, минеральных форм, физико-механических свойств и физико-химических параметров среды как в плане исследуемого хвостохранилища, так и в его разрезе, расширяет диапазон исследовательских возможностей и позволяет создать условия для подготовки принятия последующих решений по, например, повторному использованию материала, слагающего хвостохранилище, в производстве.

Безопасность получения информации о структуре хвостохранилища достигается за счет того, что пробы из стенки скважин отбирают дистанционно, т.е. нет непосредственного контакта исследователя с агрессивной, в том числе химически опасной средой. Особенно это актуально при изучении хвостохранилищ на золоторудных предприятиях, где складированы отходы цианирования, или урановых производствах.

На сегодняшний момент бурение скважин и извлекание керна является наиболее эффективным и достоверным методом визуального наблюдения стенок выработки, однако материал хвостохранилища представлен тонко измельченной, рыхлой породой, которая при спуско-подьемных операциях активно перемешивается, соответственно оценить изменения текстурно-структурных характеристик путем выбуривания керна не предоставляется возможным.

При изучении отходов золотоизвлекательной фабрики Новотроицкого месторождения был применен принципиально новый способ геологического исследования хвостохранилищ. Суть метода заключалась в погружении в скважину устройства для опробования рыхлой массы и видеоэндоскопа с последующей привязкой по глубине. Наиболее близкие по техническому решению методы отбора проб были описаны выше.

Данный подход позволяет опробовать различные по физико-химическим свойствам породам на интересующем интервале бурения, кроме того проводить непрерывный видеомониторинг стенок скважины.

Устройство работает следующим образом.

В скважину на двух тросах 1 опускается пробоприемная камера 2 круглого сечения, диаметр которой приблизительно равен диаметру скважины. Для того, чтобы отследить интервал, с которого будет отбираться проба, параллельно с пробоприемником в скважину спускается видеоэндоскоп.

Устройство для видеоэндоскопического исследования хвостохранилища опускается в скважину на глубину ниже устья обсадной трубы 6 скважины. На металлической штанге 3 в выработку погружается пробоотборник 4, выполненный в виде распорного механизма с двумя зубчатыми лезвиями. Для пространственной привязки к интервалу отбора проб и контроля погружения устройства в скважину на штанге нанесены отметки по глубине. При раскрытии распорного приспособления и повороте вокруг своей оси 5, его лезвия внедряются в стенку выработки, тем самым отбирая рыхлый материал хвостохранилища, поступающий в пробоприемную камеру.

Таким образом изобретение решает задачу повышения эффективности исследования структуры хвостохранилища и опробования хвостов обогащения путем визуального наблюдения стенок скважины и отбора материала из гипергенно-преобразованных, обогащенных горизонтов.

Результаты видеоэндоскопического исследования Ново-Троицкого хвостохранилища представлены на фотографиях фиг.2 (а, б, в, г, д, е).

На которых показано видеоисследование стенок скважин на примере Ново-Троицкого отвала: а). 1-я скважина; б). 2-я скважина; в). 3-я скважина; г). 4-я скважина; д). процесс отбора проб из стенки скважины в пробоприемную камеру; е). отобранные из разных уровней скважины пробы

На фотографиях четко прослеживается рельефность стенки скважины, неровности, вызванные спуско-подъемными операциями, хорошо различима цветовая передача, кроме того, явно заметна слоистость пород и структура материала, слагающего отвалы хвостохранилища. По мере погружения устройства в выработку, проводился не только отбор образцов, но и велась видеозапись на протяжении всего ствола скважины, необходимая для последующей обработки геологической информации и построения 3D модели хвостохранилища. Ранее такой итог, касаемо визуального исследования массива отходов обогащения, мог быть достигнут лишь при проходке канав, траншей, расчисток и их документации, а также выемке многотонной массы горной породы.

Таким образом, использование Способа геологического исследования хвостохранилищ и устройство для его реализации позволяет повысить экологическую безопасность, увеличить скорость и достоверность процесса получения информации о структуре хвостохранилищ.

Пример конкретного выполнения способа.

Способ был испытан на хвостохранилище Бурибаевского ГОКа. С поверхности хвостохранилища было пробурено 6 вертикальных скважин по сетке 20×20 м глубиной 18 метров - шнековым бурением станком ЛБУ 50. После этого в каждую скважину одновременно опускались видеокамера Jprobe FX и устройство для отбора проб (фиг. 1, фиг. 2, г и д). Затем при помощи видеокамеры Jprobe FX выполняли визуальное обследование стенки каждой скважины на всю глубину. При этом вели видеозапись изображения для формирования базы видеоданных о состоянии стенки скважины. Одновременно с этим в ходе визуального обследования выбирали область стенки скважины для отбора пробы материала. Затем фиксировали координаты выбранной области стенки скважины, а именно: абсолютную отметку точки отбора проб, определяемую как разность абсолютных отметок устья скважины и глубины отбора пробы; азимутальное направление отбора пробы компасом. Затем при помощи устройства для отбора проб (фиг.1, фиг.2, г и д) выполняли отбор пробы материала и извлекали отобранную пробу материала из скважины.

Результаты выполнения способа геологического исследования хвостохранилищ были соотнесены с результатами, полученными ранее по способу, выбранному за прототип, при котором также на хвостохранилище Бурибаевского ГОКа была применена система телеинспекции скважин СТС-4000. При этом в пробуренную скважину опускали видеокамеру на подвесе и выполняли визуальное обследование стенок скважины. В результате визуального обследования с использованием системы телеинспекции СТС-4000 был установлен выраженный слоистый характер распределения минеральных форм по глубине массива. Также было установлено, что слои имеют характерные различия по цвету и крупности представленного в них материала. Получить информацию о физико-механических и химических свойствах породы, слагающей хвостохранилище, равно как и о содержании полезных компонентов, при использовании системы телеинспекции СТС-400 было невозможно.

В результате выполнения данного способа были подтверждены результаты, полученные по способу, выбранному за прототип, а также сверх было установлено содержание металлов и оксидов в хвостохранилище Бурибаевского ГОКа (см. Таблицу).

Была построена пространственная модель исследуемого участка хвостохранилища Бурибаевского ГОКа и осуществлена точная пространственная привязка содержаний, минеральных форм, физико-механических свойств и физико-химических параметров материала, слагающего хвостохранилище.

При апробировании способа была обеспечена безопасность группы исследователей, т.к. ни на одном из этапов изучения хвостохранилища не возникло ситуации прямого контакта человека с отобранными пробами, которые, как было установлено позднее, содержат мышьяк, свинец, кадмий и серу, а также тяжелые металлы в растворимых сульфатных формах. Как было указано выше, извлечение проб осуществлялось посредством устройства для отбора проб (фиг. 1, фиг. 2, г и д).

Таким образом, способ геологического исследования хвостохранилищ и устройство для его реализации позволяет расширить диапазон исследовательских возможностей при геологическом изучении хвостохранилищ, повысить безопасность получения информации о структуре хвостохранилищ, а также повысить достоверность получаемой информации.

Изобретение относится к геологии и горному делу и может быть использовано при геологическом исследовании и изучении хвостохранилищ, эфельных отвалов, иных массивов, сложенных на основе тонко дробленых и/или измельченных минеральных масс, в том числе, химически опасных продуктов. Техническим результатом является расширение диапазона исследовательских возможностей при геологическом изучении хвостохранилищ, повышение безопасности и достоверности получаемой информации об их структуре, т.е. получение достоверных научных данных о структуре хвостохранилища. Способ включает бурение скважины, опускание в скважину видеокамеры, визуальное обследование стенки скважины. Причем скважину обсаживают, одновременно с видеокамерой в скважину опускают устройство для механического отбора рыхлого сыпучего материала, при этом устройство опускают до устья обсадной трубы, постепенно вынимают обсадную трубу и в ходе визуального обследования стенки скважины выбирают область стенки скважины для отбора пробы материала и фиксируют координаты выбранной области стенки скважины, производят отбор пробы материала из выбранной области стенки скважины, извлекают отобранную пробу материала из скважины и производят лабораторные исследования. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ геологического исследования хвостохранилищ, включающий бурение скважины, опускание в скважину видеокамеры, визуальное обследование стенки скважины, отличающийся тем, что скважину обсаживают, одновременно с видеокамерой в скважину опускают устройство для механического отбора рыхлого сыпучего материала, при этом устройство опускают до устья обсадной трубы, постепенно вынимают обсадную трубу и в ходе визуального обследования стенки скважины выбирают область стенки скважины для отбора пробы материала и фиксируют координаты выбранной области стенки скважины, производят отбор пробы материала из выбранной области стенки скважины, извлекают отобранную пробу материала из скважины и производят лабораторные исследования.

2. Устройство для геологического исследования хвостохранилищ, содержащее скважину с опущенными инструментами пробозабора и визуализацией, отличающееся тем, что на тросах укреплена пробоприемная камера и зафиксированный на штанге с нанесенными отметками по глубине распорный механизм с двумя лезвиями, выполненный с возможностью вращения вокруг оси.