Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК E21C45/00 E21C41/16 

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи, в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ в осадочных горных породах.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий отработку полигона круглыми в плане камерами с оставлением устойчивых межкамерных целиков, при котором радиус камеры последовательно увеличивается при круговом размыве сменными гидромониторными стволами [1].

Устройство для реализации данного способа представляет собой скважинный эрлифтно-гидромониторный снаряд, состоящий из пульповой, воздушной и водяной труб, в котором на нижнем конце водяной трубы установлено шарнирное колено со сменными гидромониторными стволами различной длины [2].

Недостатки данного способа и устройства для его осуществления заключаются в больших потерях полезного ископаемого в межкамерных целиках (40%) и затратах времени на демонтаж и монтаж скважинного снаряда для замены сменных гидромониторных стволов.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, относящемуся к способу скважинной гидродобычи полезных ископаемых, является отработка полигона рядами круглых в плане подземных камер с оставлением междурядных целиков, которые отрабатываются после гидравлической закладки ранее отработанных рядов скважин [3]. При этом размывают полусферическую камеру при выводе ствола из вертикального в горизонтальное положение.

Известно устройство для реализации данного способа, в котором на нижнем конце водяной трубы установлено шарнирное колено и длинный гидромониторный ствол с боковыми насадками, обеспечивающими размыв вдоль ствола в вертикальной плоскости и смыв разрушенных пород в сторону приемного устройства эрлифта [4].

Недостатки указанного способа и устройства для его осуществления заключаются в низкой эффективности, связанной с затратами на гидравлическую закладку рядов отработанных подземных камер, и большом разубоживании (в 3-4 раза), при отработке маломощных пластов полезного ископаемого в результате размыва полусферической камеры, так как размыв маломощного продуктивного пласта в горизонтальном положении гидромониторного ствола и круговом вращении скважинного снаряда, когда боковые насадки направлены вниз, невозможен.

Решаемая задача заключается в повышении эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых и дистанционности при управлении работой устройства.

При этом снижаются затраты на добычу полезных ископаемых за счет сокращения времени выполнения операций и разубоживания полезного ископаемого благодаря избирательной выемки пород продуктивного пласта, увеличивается извлечение полезного ископаемого в результате управления процессом посадки кровли продуктивного пласта. Кроме этого, конструкция устройства обеспечивает дистанционность управления скважинным снарядом в процессе добычи.

Достижение технического результата обеспечивается при использовании известного способа, включающего бурение рядов технологических скважин, последовательный монтаж скважинного снаряда с гидромониторным стволом в вертикальном положении, отработку полигона рядами круглых в плане подземных камер путем размыва полусферического сектора при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками через тягу и шарнир из вертикального в горизонтальное положение и размыва продуктивного пласта при круговом вращении скважинного снаряда со смывов разрушенных пород к технологической скважине и их эрлифтным подъемом на поверхность для обогащения или складирования,

При этом, согласно предлагаемому способу, отработку полигона производят отступающими рядами подземных камер и в отступающем порядке в ряду подземных камер, а размыв подземной камеры начинают со стороны отработанной части полигона, при этом гидромониторный ствол при натяжении одного из тросов с помощью одной из лебедок поворачивают вокруг оси так, чтобы боковые насадки находились в горизонтальной плоскости.

Другое отличие способа заключается в том, что при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры гидромониторный ствол периодически поворачивают по оси ствола на угол 90-180°, а потом снова поворачивают боковыми насадками в сторону плоскости движения гидромониторного ствола.

Еще одно отличие способа заключается в том, что для вывода гидромониторного ствола с боковыми насадками из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры подают воду на отклоняющую насадку, установленную на конце гидромониторного ствола для создания момента вращения, равного или превышающего суммарный момент вращения от боковых насадок.

Другое отличие способа заключается в том, что воду на отклоняющую насадку подают периодически.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство скважинной гидродобычи полезных ископаемых, представляющее скважинный снаряд, состоящий из воздушной, водяной и пульповой трубы, на нижнем конце водяной трубы установлено шарнирное колено и гидромониторный ствол с боковыми насадками, находящимися в одной плоскости и направленными под углом 30° к оси гидромониторного ствола в сторону шарнирного колена, на конце гидромониторного ствола со стороны, противоположной боковым насадкам, установлена отклоняющая насадка под углом 90° к оси гидромониторного ствола, перед отклоняющей насадкой внутри гидромониторного ствола установлен подпружиненный клапан, соединенный тросом, проходящим через боковую насадку и пульповую трубу, с лебедкой в верхней части пульповой трубы.

Согласно предлагаемому устройству перед боковой насадкой на дальнем конце гидромониторного ствола установлена гидромониторная насадка, находящаяся в плоскости других боковых насадок и направленная в противоположную сторону от шарнирного колена под углом 30° к оси гидромониторного ствола, шарнирное колено соединено с патрубком, на который надет гидромониторный ствол с возможностью осевого поворота, гидромониторный ствол имеет поперечный паз для возможности осевого поворота гидромониторного ствола на угол 90-180°, через который в патрубке установлен винт, при этом на конце гидромониторного ствола закреплен трос, соединенный с двумя лебедками в верхней части пульповой трубы.

Отработка полигона отступающими рядами подземных камер и в отступающем порядке в ряду подземных камер обеспечивает безопасность добычи, так как отработка подземной камеры ведется под защитой устойчивого целика в виде неотработанного полигона с двух сторон от размываемой подземной камеры.

Отработка круглой в плане подземной камеры начиная со стороны отработанной части полигона позволяет повысить устойчивость кровли подземной камеры за счет управления величиной пролета и площадью обнажения кровли камеры, так как в зоне, примыкающей к отработанной части полигона, площадь обнажения кровли камеры будет минимальной, а максимального значения площадь обнажения достигает в зоне неотработанного полигона.

Поворот гидромониторного ствола при натяжении одного из тросов с помощью одной из лебедок вокруг оси так, чтобы боковые насадки находились в горизонтальной плоскости, обеспечивает возможность кругового размыва подземной камеры на пластах малой мощности.

Периодический поворот по оси ствола на угол 90-180°, а потом снова поворот боковыми насадками в сторону плоскости движения гидромониторного ствола при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры позволяет периодически изменять направление момента вращения гидромониторного ствола, что облегчает его перемещение в плоскости размыва при выведении ствола из вертикального в горизонтальное положение, а так же круговом движении снаряда в скважине. При повороте ствола на угол 180° поворотный момент от струй из боковых насадок будет способствовать движению гидромониторного ствола в заданном направлении, а при повороте ствола на угол 90° при круговом размыве камеры - зачистке дна камеры.

Подача дополнительной воды на отклоняющую насадку, установленную на конце гидромониторного ствола для создания момента вращения, равного или превышающего суммарный момент вращения от боковых насадок, позволяет свободно перемещать гидромониторный ствол в заданном направлении.

Периодическое прерывание подачи воды на отклоняющую насадку позволяет существенно повысить эффективность размыва пород, сократив расход воды на компенсацию вращающего момента от боковых насадок.

Установка гидромониторной насадки перед боковой насадкой на дальнем конце гидромониторного ствола в плоскости других боковых насадок и направление ее в противоположную сторону от шарнирного колена под углом 30° к оси гидромониторного ствола обеспечивает получение плоскости размыва вдоль всего ствола гидромонитора, что предотвращает образование не размытых поверхностей при движении гидромониторного ствола.

Соединение шарнирного колена с патрубком, на который надет гидромониторный ствол с возможностью осевого поворота, и поперечный паз для возможности осевого поворота гидромониторного ствола на угол 90-180°, через который в патрубке установлен винт, закрепление троса на конце гидромониторного ствола, соединенного с двумя лебедками в верхней части пульповой трубы, обеспечивает возможность с поверхности поворачивать гидромониторный ствол относительно его оси на угол до 180°.

Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи повышения эффективности способа скважинной гидродобычи и дистанционности при управлении работой устройства.

Предлагаемый способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых поясняется схемой на фиг. 1-5.

На фиг. 6 показано устройство для осуществления предложенного способа.

На фиг. 1 - схема отработки полигона рядами круглых в плане подземных камер. На фиг. 2 - схема размыва сектора полусферической камеры при выведении гидромониторного ствола из вертикального в горизонтальное положение. На фиг. 3 - схема кругового размыва подземной камеры гидромониторным стволом. На фиг. 4 - схема размыва камеры гидромониторным стволом при зачистке плотика. На фиг. 5 - схема кругового размыва подземной камеры с использованием отклоняющей насадки на гидромониторном стволе. На фиг. 6 показан скважинный снаряд.

На схеме отработки полигона на фиг.1 показаны ряды технологических скважин (1), находящиеся в отработке подземные камеры (2) с полусферическими секторами (3) для вывода гидромониторного ствола из вертикального в горизонтальное положение, отработанные подземные камеры (4) и еще неотработанные подземные камеры (5). Стрелками (6) показано направление отработки в рядах подземных камер, а стрелкой (7) - порядок отработки рядов подземных камер. На схеме на фиг. 2 показан размыв полусферического сектора (3) скважинным снарядом (8) с гидромониторным стволом (9), направленными в сторону шарнирного колена боковыми насадками (10) и направленной в противоположную сторону от шарнирного колена гидромониторной насадкой (23). На схеме на фиг. 3 показан размыв продуктивного пласта (11) гидромониторным стволом (9) при горизонтальном положении боковых насадок (10 и 23). На фиг. 4 показана операция по зачистке плотика (12) скважинным снарядом (8) при горизонтальном положении гидромониторного ствола (9) с боковыми насадками (10 и 23), направленными вниз. На фиг. 5 показана схема размыва круглой в плане камеры (2) от полусферического сектора (3) гидромониторным стволом (9) в горизонтальном положении с боковыми насадками (10 и 23), направленными в сторону вращения ствола (9) и с отклоняющей насадкой (13).

Способ осуществляют следующим образом (фиг. 1-5). На добычном полигоне производится бурение рядов технологических скважин (1). В скважины последовательно монтируется гидромониторно-эрлифтный снаряд (8) с гидромониторным стволом (9) в вертикальном положении. Круглые в плане подземные камеры (2) отрабатывают размывом небольшого полусферического сектора (3) при выводе ствола (9) из вертикального в горизонтальное положение. Полусферический сектор (3) размывают в направлении примыкания камеры (2) к границе уже отработанных (4) и еще неотработанных (5) подземных камер. После этого гидромониторный ствол (9) в горизонтальном положении поворачивают по его оси таким образом, чтобы боковые насадки (10 и 23) находились в горизонтальной плоскости движения гидромониторного ствола (9) и, при вращении снаряда (8) в скважине (1), производят круговой размыв подземной камеры (2). В полусферическом секторе (3) гидромониторный ствол (9) выводят в вертикальное положение и демонтируют снаряд (8) из скважины (1) на поверхность.

Для снижения риска образования провалов на поверхности отработку полигона производят рядами подземных камер в отступающем порядке (7) и в отступающем порядке в ряду скважин (6). Это способствует плавной посадке покрывающих продуктивный пласт (11) пород, безопасности добычи и снижению потерь полезного ископаемого.

Для снижения объема и высоты обрушения пород кровли отрабатываемой камеры (2) целесообразно создавать узкие полусферические сектора (3) как в начале зоны примыкания камеры (2) к границе отработанных камер (4) полигона, так и в конце этой зоны. В этом случае, обрушение пород кровли камеры (2) будет происходить на меньшую высоту, так как не будет накапливаться напряжение в породах кровли. Обрушенные породы будут препятствовать выносу полезного ископаемого в ранее отработанные камеры (4).

При выводе гидромониторного ствола (9) из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры (2) момент вращения от струй из боковых насадок (10 и 23) препятствует движению ствола (9) и повороту снаряда (8) в скважине, поэтому гидромониторный ствол (9) периодически поворачивают по его оси на угол 90-180°, а потом снова поворачивают боковыми насадками (10 и 23) в сторону плоскости движения гидромониторного ствола (9). При этом, при повороте на 180° момент вращения способствует перемещению ствола (9) в нужном направлении, а при повороте на 90° боковые насадки (10 и 23) направлены вниз и обеспечивают зачистку плотика (12) подземной камеры и смыв пород продуктивного пласта (11) к технологической скважине (Фиг. 3 и 4).

Другим решением для компенсации момента вращения от струй из боковых насадок (10 и 23) является подача воды на отклоняющую насадку (13), установленную на конце гидромониторного ствола (9) для создания ею момента вращения, равного или превышающего суммарный момент вращения от боковых насадок (10 и 23) (Фиг. 5).

Расход воды через отклоняющую насадку (13) составляет около 30% от общего расхода воды на скважинный снаряд, поэтому, для его снижения, периодически прерывают подачу воды на отклоняющую насадку (13), с удержанием снаряда от поворота назад.

Примером конкретного выполнения служат применение данного способа при добыче золота из погребенных обводненных прибрезноморских россыпей на глубине 20-30 м. Россыпь разбуривают с поверхности рядами скважин (1) диаметром 350 мм с перебуром в подстилающие продуктивный пласт (11) породы плотика (12) на 0,5 м. Расстояние между соседними скважинами в рядах и между рядами 12 м. В скважины последовательно монтируют гидромониторно-эрлифтный снаряд (8) с гидромониторным стволом (9) длиной 6 м с 4-мя боковыми насадками (10 и 23) диаметром 19 мм и отклоняющей насадкой (13) диаметром 23 мм. Момент вращения от боковых насадок 602 кг*м, а от отклоняющей насадки (13) 623 кг*м. При отработке подземных камер радиусом 6 м и высотой 1 м гидромониторный ствол (9) выводится в горизонтальное положение, после чего ствол поворачивается по оси на угол 90° и, при вращении снаряда, размывается круглая камера высотой 1 м. Далее гидромониторный ствол (9) поворачивается на 90° боковыми насадками (10 и 23) вниз и, при круговом вращении снаряда (8) в скважине, производится зачистка плотика (12) камеры. Снаряд (8) устанавливается в первоначальное положение в полусферическом секторе (3), в котором гидромониторный ствол (9) выводится из горизонтального в вертикальное положение, прекращается подача воды и воздуха и производится демонтаж снаряда (8) из скважины. При размыве подземной камеры поднимаемая эрлифтом гидросмесь золотосодержащих пород направляется на переставной промывочный прибор. Промытая порода размещается на отработанном полигоне, а вода самотеком возвращается в водоем. Отработка полигона производится двумя снарядами (8), которые перемещаются в рядах скважин в отступающем порядке.

Предлагаемое устройство (фиг. 6) для осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых включает пульповую трубу (14) с оголовком для отвода пульпы (15), воздушную трубу (16) с шарниром для подачи воздуха (17) в верхней части, водяную трубу (18) с шарниром для подачи воды (19) в верхней части и шарнирным коленом (20) на нижнем конце. Шарнирное колено (20) соединено через патрубок (21) с гидромониторным стволом (9). Между пульповой трубой (14) и патрубком (21) шарнирно установлена жесткая тяга (22), обеспечивающая возможность вывода из вертикального в горизонтальное положение гидромониторного ствола (9). На гидромониторном стволе выполнены боковые насадки (10), находящиеся в одной плоскости и направленные под углом 30° в сторону шарнирного колена (20). Перед боковой насадкой (10) на дальнем конце гидромониторного ствола (9) установлена дополнительная гидромониторная насадка (23), находящаяся в плоскости других боковых насадок (10) и направленная в противоположную сторону от шарнирного колена (20) под углом 30°. Гидромониторный ствол (9) надет на патрубок (21) и имеет поперечный паз (24), через который в патрубке (21) установлен винт (25) для поворота гидромониторного ствола на угол 90-180°, при этом на конце гидромониторного ствола (9) закреплен поворотный трос (26), концы которого соединены с двумя лебедками (27) в верхней части пульповой трубы (14). На дальнем конце гидромониторного ствола (9) со стороны, противоположной боковым насадкам (10 и 23), установлена отклоняющая насадка (13) под углом 90 к оси гидромониторного ствола (9). Перед отклоняющей насадкой (13) внутри гидромониторного ствола (9) установлен подпружиненный клапан (30), перекрывающий подачу воды на отклоняющую насадку (13), соединенный тросом (28) с лебедкой (29), установленной в верхней части пульповой трубы (14). Трос (28) проходит через ближнюю к патрубку (21) боковую насадку (10) и пульповую трубу (14).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Скважинный снаряд (8) с помощью автокрана монтируется в скважине. Гибкими шлангами снаряд соединяется через шарниры подачи воды (19) и воздуха (17) с насосом и компрессором. При подаче воды и воздуха происходит размыв пород в подземной камере (2), а поднимаемая на поверхность гидросмесь направляется на промывочный прибор. При подъеме водяной трубы (18) гидромониторный ствол (9) через тягу (22) и шарнир (20) переходит из вертикального в горизонтальное положение, при этом струи воды из боковых насадок (10 и 23) размывают породы вдоль гидромониторного ствола (9). При опускании водяной трубы (14) гидромониторный ствол (9) возвращается в вертикальное положение, снаряд (8) поворачивается на угол 5-10° в скважине и гидромониторный ствол (9) вновь выводится в горизонтальное положение, что обеспечивает размыв полусферического сектора. Далее при натяжении одного из тросов (26) с помощью одной из лебедок (27) гидромониторный ствол (9) по оси поворачивается на угол 90°, переводя боковые насадки (10 и 23) в горизонтальную плоскость, при этом винт (25) перемещается до упора в поперечном пазу (24). Вода из боковых насадок (10 и 23) размывает породы вдоль гидромониторного ствола (9). Для кругового перемещения снаряда (8) в скважине при горизонтальном положении гидромониторного ствола (9) периодически производят подачу воды на отклоняющую насадку (13). Для этого с помощью лебедки (29) и троса (28) открывают подпружиненный клапан (30), и вода поступает на отклоняющую насадку (13), поворотный момент от которой превышает суммарный момент от боковых насадок (10 и 23).

Источники информации

1. Скважинная гидротехнология: учебное пособие под ред. проф. В.Ж. Аренса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. с. 93.

2. Там же, с. 90.

3. Там же, с. 77. рис. 4.5.

4. Там же, с. 77 рис. 4.4.

Группа изобретений относится к горному делу и может быть использована при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи, в строительном деле при сооружении через скважины подземных хранилищ в осадочных горных породах для хранения жидких и газообразных продуктов и захоронения промышленных отходов. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых включает бурение рядов технологических скважин, последовательный монтаж скважинного снаряда с гидромониторным стволом в вертикальном положении, отработку полигона рядами круглых в плане подземных камер. Отработку полигона производят путем размыва полусферического сектора при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками через тягу и шарнир из вертикального в горизонтальное положение и размыва продуктивного пласта при круговом вращении скважинного снаряда со смывом разрушенных пород к технологической скважине и их эрлифтным подъемом на поверхность для обогащения и складирования. Отработку полигона производят отступающими рядами подземных камер и в отступающем порядке в ряду подземных камер. Размыв подземной камеры начинают со стороны отработанной части полигона. Гидромониторный ствол при натяжении одного из тросов с помощью одной из лебедок поворачивают вокруг оси так, чтобы боковые насадки находились в горизонтальной плоскости. Устройство для скважинной гидродобычи представляет собой скважинный снаряд. Скважинный снаряд состоит из воздушной, водяной и пульповой трубы. На нижнем конце водяной трубы установлены шарнирное колено и гидромониторный ствол с боковыми насадками. Боковые насадки находятся в одной плоскости и направлены под углом 30° к оси гидромониторного ствола в сторону шарнирного колена. На конце гидромониторного ствола со стороны, противоположной боковым насадкам, установлена отклоняющая насадка под углом 90° к оси гидромониторного ствола. Перед отклоняющей насадкой внутри гидромониторного ствола установлен подпружиненный клапан, соединенный тросом, проходящим через боковую насадку и пульповую трубу, с лебедкой в верхней части пульповой трубы. Перед боковой насадкой на дальнем конце гидромониторного ствола установлена гидромониторная насадка. Гидромониторная насадка расположена в плоскости других боковых насадок и направлена в противоположную сторону от шарнирного колена под углом 30° к оси гидромониторного ствола. Шарнирное колено соединено с патрубком, на который установлен гидромониторный ствол с возможностью осевого поворота. Гидромониторный ствол имеет поперечный паз для возможности осевого поворота гидромониторного ствола на угол 90-180°, через который в патрубке установлен винт. На конце гидромониторного ствола закреплен трос, соединенный с двумя лебедками в верхней части пульповой трубы. Обеспечивается повышение эффективности скважинной гидродобычи полезных ископаемых и дистанционности при управлении работой устройства. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий бурение рядов технологических скважин, последовательный монтаж скважинного снаряда с гидромониторным стволом в вертикальном положении, отработку полигона рядами круглых в плане подземных камер путем размыва полусферического сектора при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками через тягу и шарнир из вертикального в горизонтальное положение и размыва продуктивного пласта при круговом вращении скважинного снаряда со смывом разрушенных пород к технологической скважине и их эрлифтным подъемом на поверхность для обогащения и складирования, отличающийся тем, что отработку полигона производят отступающими рядами подземных камер и в отступающем порядке в ряду подземных камер, а размыв подземной камеры начинают со стороны отработанной части полигона, при этом гидромониторный ствол при натяжении одного из тросов с помощью одной из лебедок поворачивают вокруг оси так, чтобы боковые насадки находились в горизонтальной плоскости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выводе гидромониторного ствола с боковыми насадками из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры гидромониторный ствол периодически поворачивают по оси ствола на угол 90-180°, а потом снова поворачивают боковыми насадками в сторону плоскости движения гидромониторного ствола.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для вывода гидромониторного ствола с боковыми насадками из вертикального в горизонтальное положение и круговом размыве подземной камеры подают воду на отклоняющую насадку, установленную на конце гидромониторного ствола для создания момента вращения, равного или превышающего суммарный момент вращения от боковых насадок.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что воду на отклоняющую насадку подают периодически.

5. Устройство для скважинной гидродобычи, представляющее скважинный снаряд, состоящий из воздушной, водяной и пульповой трубы, на нижнем конце водяной трубы установлены шарнирное колено и гидромониторный ствол с боковыми насадками, находящимися в одной плоскости и направленными под углом 30° к оси гидромониторного ствола в сторону шарнирного колена, на конце гидромониторного ствола со стороны, противоположной боковым насадкам, установлена отклоняющая насадка под углом 90° к оси гидромониторного ствола, а перед отклоняющей насадкой внутри гидромониторного ствола установлен подпружиненный клапан, соединенный тросом, проходящим через боковую насадку и пульповую трубу, с лебедкой в верхней части пульповой трубы, отличающееся тем, что перед боковой насадкой на дальнем конце гидромониторного ствола установлена гидромониторная насадка, находящаяся в плоскости других боковых насадок и направленная в противоположную сторону от шарнирного колена под углом 30° к оси гидромониторного ствола, шарнирное колено соединено с патрубком, на который установлен гидромониторный ствол с возможностью осевого поворота, гидромониторный ствол имеет поперечный паз для возможности осевого поворота гидромониторного ствола на угол 90-180°, через который в патрубке установлен винт, при этом на конце гидромониторного ствола закреплен трос, соединенный с двумя лебедками в верхней части пульповой трубы.