Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и предназначено для разработки методом скважинной гидродобычи мощных глубокозалегающих обводненных месторождений самообрушающихся или предварительно обрушенных неоднородных по прочности полезных ископаемых, в том числе состоящих из тяжелых минералов. Устройство содержит внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, жестко соединенной с подвижной напорной колонной, при этом подвижная напорная колонна выполнена с телескопическим хвостовиком, снабженным ограничителями перемещения, обеспечивающими диапазон расстояний от гидромониторной насадки до приемного отверстия в диапазоне где L - расстояние от приемного отверстия до гидромониторной насадки, м; S - площадь приемного отверстия (ий), м²; k - коэффициент, величина которого изменяется от 2,4 до 4,5. Изобретение обеспечивает повышение производительности разработки. 1 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для разработки методом скважинной гидродобычи мощных глубокозалегающих обводненных месторождений самообрушающихся или предварительно обрушенных неоднородных по прочности полезных ископаемых, в том числе состоящих из тяжелых минералов.

Известно устройство для скважинной гидродобычи (СГД) полезных ископаемых, содержащее внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, соединенной с напорной колонной, причем гидромониторная насадка выполнена боковой с осью, перпендикулярной оси напорной колонны (см. патент РФ № 2181434, кл. Е 21 С 45/00, публ. 7.12.2000).

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность при разработке самообрушающихся или предварительно обрушенных неоднородных по прочности полезных ископаемых с тяжелыми минералами вследствие: плохой измельчаемости боковой гидромониторной насадкой горной массы, расположенной на забое; забиваемости кусковым материалом приемного отверстия, расположенного ниже гидромониторной насадки; невозможностью осуществлять внедрение устройства в обрушенную горную массу с целью понижения рабочего забоя и полной отработки полезного ископаемого; нерационального расположения приемного отверстия для забора пульпы, приготавливаемой из горной массы с тяжелыми минералами.

Известна установка для СГД, включающая внутреннюю напорную колонну с телескопической нижней частью, имеющей гидромониторную насадку на конце, пульповыдачную трубу с приемным отверстием и механизм поворота телескопической части в боковое положение (см. Аренс В.Ж. и др. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М. Недра, 1980, с.112, рис.4.33).

Установка обеспечивает оптимальное положение гидромониторной насадки относительно забоя. Недостатком известной установки является то, что для перемещения приемного отверстия нужно перемещать всю пульповыдачную трубу. При разработке глубокозалегающих месторождений это - трудоемкая операция, а установка приемного отверстия на заданном расстоянии от забоя с достаточной точностью - процесс сложный и не всегда может быть реализован. Кроме того, расстояние от гидромониторной насадки до приемного отверстия неограничено, что неприемлемо для добычи полезных ископаемых, особенно состоящих из тяжелых минералов, когда пульпы с плотностью, достаточной для эффективной добычи, имеет ограниченные размеры.

Известно устройство для СГД, включающее внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, жестко соединенной с напорной колонной, причем гидромониторная насадка жестко соединена с напорной колонной (см. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. М. Издательство МГРУ, 2001, с.486, рис.19.11 - II, а также Информационный листок № 195-89 Белгородского ЦНТИ, г. Белгород, 1989).

Недостатком устройства, принятого за прототип, является недостаточно эффективное пульпоприготовление и прием пульпы при добыче глубокозалегающих полезных ископаемых с тяжелыми минералами. Это связано с тем, что расстояние между гидромониторной насадкой и приемным отверстием устанавливается перед спуском устройства в скважину и может меняться только при поднятом устройстве на поверхность. Поэтому не представляется возможным в процессе добычи изменять расстояние от гидромониторной насадки до забоя и от забоя до приемного отверстия. Для продвижения гидромониторной насадки вслед за изменением положения забоя, вызванным извлечением полезного ископаемого, необходимо непрерывно перемещать напорную колонну.

Задача изобретения - создание надежного и производительного устройства для разработки методом скважинной гидродобычи мощных глубокозалегающих месторождений самообрушающихся или предварительно обрушенных неоднородных по прочности полезных ископаемых, в том числе состоящих из тяжелых минералов, за счет поддержания в процессе гидродобычи оптимального диапазона расстояний от гидромониторной насадки до пульпоприемного отверстия для забора пульпы оптимального диапазона по плотности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, содержащем внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, жестко соединенной с подвижной напорной колонной, подвижная напорная колонна выполнена с телескопическим хвостовиком, снабженным ограничителями перемещения, обеспечивающими диапазон расстояний от гидромониторной насадки до приемного отверстия, определяемый из соотношения:

где L - расстояние от приемного отверстия до гидромониторной насадки, м;

S - площадь приемного отверстия (ий), м²;

k - коэффициент, величина которого изменяется от 2,4 до 4,5.

На чертеже показано устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых в рабочем положении.

Устройство содержит внутреннюю подвижную напорную колонну 1 с гидромониторной насадкой 2 на конце, внешнюю пульповыдачную трубу 3 с телескопической нижней частью 4 и приемным отверстием 5. Подвижная напорная колонна 1 выполнена с телескопическим хвостовиком 6, включающим подвижный ствол 7 и ограничители перемещения, выполненные в виде ограничительно-направляющих колец 8, 9, 10. Телескопическая нижняя часть 4 внешней пульповыдачной трубы 3 выполняется таким образом, чтобы длина ее хода соответствовала полной мощности отрабатываемой залежи или определенного рабочего горизонта и имеет ограничительно-направляющие кольца 11 и 12.

Ограничительно-направляющие кольца 8, 9 и 10 расположены таким образом, чтобы подвижный ствол 7 гидромониторной насадки 2 перемещался в пределах, обеспечивающих заданный (рассчитанный по приведенному выше соотношению) диапазон расстояний от гидромониторной насадки 2 до приемного отверстия 5.

Соотношение выведено из опыта скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА, представленных рыхлыми или слабосцементированными самообрушающимися рудами, имеющими прочность на одноосное сжатие до 3 МПа, состоящими в основном из мартита, имеющего высокую плотность - 4,8-5,1 г/см³. Руды в процессах обрушения и пульпоприготовления на забое дезинтегрируются, превращаясь в неравномерно-зернистую песчанообразную массу, состоящую более чем на 90% из зерен размером до 1 мм. При однородном зерновом составе оптимальные, с позиции энергозатрат, скорости истечения и объемы подаваемых на забой воды или газожидкостной смеси для формирования необходимых объемов и достаточной плотности пульпы изменяются в узких пределах, так же, как и оптимальная скорость потока в пульповыдачных трубах. Было установлено, что при оптимальных режимах главными факторами организации эффективного технологического процесса являются: положение гидромониторной насадки относительно забоя, положение приемного (приемных) отверстия относительно создаваемого «облака» пульпы и площадь приемного (приемных) отверстия.

Во всех случаях рабочим является положение насадки в непосредственной близости от забоя. При удалении приемного отверстия от забоя плотность пульпы снижается, и на определенном расстоянии добычной процесс становится нерентабельным. При этом эффективная глубина захвата пульпы при равных скоростях потока в пульповыдачных трубах тем выше, чем больше площадь приемного отверстия. С приближением приемного отверстия к гидромониторной насадке, расположенной на забое, плотность пульпы возрастает. На близком расстоянии плотность пульпы тяжелых минералов возрастает настолько, что не может быть поднята через пульповыдачные трубы. Одновременно за счет отражения напорной струи от забоя происходит вбрасывание в приемное отверстие недостаточно разжиженной рудной массы. В итоге происходит образование рудных пробок, остановка процесса выдачи пульпы и зашламование пульповыдачных труб за счет быстрого осаждения тяжелых минералов.

Опытные работы, проведенные для гидродобычных устройств с площадями приемных отверстий в пределах 0,009-0,03 м² при охарактеризованных оптимальных условиях показали закономерную связь эффективности гидродобычного процесса от площади приемного отверстия и расстояния от него до гидромониторной насадки, работающей на забое. Эта закономерность показана выше в формуле. Величина коэффициента k для вычисления диапазона расстояний принимается первоначально: минимальная - при использовании в качестве рабочего агента воды и максимальная - при использовании газожидкостной смеси, которая обеспечивает более интенсивный процесс приготовления пульпы. Уточнение коэффициента k внутри указанных пределов производится опытным путем, учитывая возможные влияния конкретных горных и технологических условий, к которым, например, относятся: особенности зернового и минерального состава, неоднородность прочностных характеристик и темпы поступления на забой рудной массы, степень аэрации газожидкостной смеси. Например, при производстве гидродобычных работ на Шемраевском месторождении богатых железных руд КМА, для рыхлых самообрушающихся мартитовых руд были получены следующие данные. При площади приемного отверстия 0,009 м² и использовании в качестве рабочего агента газожидкостной смеси зашламование пульповыдачных труб происходило при расстоянии между приемным отверстием и гидромониторной насадкой, работающей на забое, меньшем 0,3-0,4 метра (k=3,2-4,2), a при площади 0,028 м² - 0,6-0,75 метра (k=3,6-4,5). Резкое снижение плотность пульпы (до 1020-1030 г/см³ при максимальных значениях 1200-1400 г/см³ и средних 1080-1100 г/см³) происходит, в первом случае, при расстоянии между приемным отверстием и гидромониторной насадкой 1,3-1,6 метра (k=3,4-4,2), а во втором - 2,7-3,0 метра (k=4,0-4.5).

Устройство работает следующим образом.

Глубокозалегающее мощное обводненное месторождение, представленное несцементированным или слабосцементированным самообрушающимся в камеру неоднородным по прочности полезным ископаемым 13 с тяжелыми минералами, например, богатые железные руды КМА в остаточных корах выветривания, вскрывается скважиной, в которую опускается устройство. Башмак внешней пульповыдачной трубы 3 устанавливается ниже кровли отрабатываемой залежи, представленной прочными вмещающими породами или прочным полезным ископаемым 14 и оставляется в таком положении до полной отработки определенного рабочего горизонта. Опускание подвижной напорной колонны 1 с закрепленной на ней телескопической нижней частью 4 внешней пульповыдачной трубы 3 производят при предельном верхнем положении гидромониторной насадки 2. Этим устанавливается минимальное расстояние между гидромониторной насадкой 2 и приемным отверстием 5, которое обеспечивает стабильную работу устройства без закупорки и зашламования телескопической нижней части 4 внешней пульповыдачной трубы 3. Гидромониторная насадка 2 располагается непосредственно над забоем. Подвижный ствол 7 гидромониторной насадки 2 под напором рабочего агента, которым может быть вода или газожидкостная смесь, выдвигается; гидромониторная насадка 2 приближается к забою и струя из насадки производит размыв коренной горной породы или обрушенной горной массы 15. Следуя постоянно за забоем с поддержанием оптимального расстояния, гидромониторная насадка 2 позволяет производить эффективное пульпоприготовление и разрушение крупного относительно прочного материала. Подвижный ствол 7 выдвигается до контакта ограничительно-направляющих колец 9 и 10. Этим достигается максимальное расстояние между насадкой 2 и приемным отверстием 5. Работа в указанном диапазоне обеспечивает расположение приемного отверстия 5 в области пульпоприготовления с достаточной плотностью пульпы. Затем с целью дальнейшей углубки забоя перемещением подвижной напорной колонны 1 выдвигают телескопическую нижнюю часть 4 внешней пульповыдачной трубы 3, сокращая расстояние между гидромониторной насадкой 2 и приемным отверстием 5 до допустимого минимума, и процесс повторяется в указанном порядке. В случае обрушения горных масс и поднятия уровня забоя, гидромониторная насадка 2 и приемное отверстие 5 перемещением подвижной напорной колонны 1 поднимаются на новый уровень и устанавливаются аналогичным образом над поверхностью завала.

Подъем пульпы может осуществляться одним из известных способов, например эрлифтом, с подачей во внешнюю пульповыдачную трубу сжатого воздуха.

Устройство обеспечивает эффективное разрушение крупного материала, расположенного на забое, а также интенсивное перемешивание твердого и жидкого с выдачей оптимальной по плотности пульпы за счет непосредственного непрерывного воздействия на забой и оптимального положения приемного отверстия в зоне пульпоприготовления, что в итоге дает высокую производительность по твердому.

Простое и надежное устройство обеспечивает эффективную, производительную разработку мощных, глубокозалегающих месторождений несцементированных и слабосцементированных самообрушающихся полезных ископаемых с тяжелыми минералами.

Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых, содержащее внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, жестко соединенной с подвижной напорной колонной, отличающееся тем, что подвижная напорная колонна выполнена с телескопическим хвостовиком, снабженным ограничителями перемещения, обеспечивающими диапазон расстояний от гидромониторной насадки до приемного отверстия, определяемый из соотношения

где

L - расстояние от приемного отверстия до гидромониторной насадки, м;

S - площадь приемного отверстия (ий), м²;

k - коэффициент, величина которого изменяется от 2,4 до 4,5.