Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и предназначено для разработки методом скважинной гидродобычи (СГД) мощных глубокозалегающих месторождений неоднородных по прочности полезных ископаемых с тяжелыми минералами. Устройство содержит внутреннюю подвижную напорную колонну 1 с гидромониторной насадкой 2 на конце, внешнюю пульповыдачную трубу 3 с телескопической нижней частью 4 с приемным отверстием 5. Напорная колонна 1 жестко соединена с нижней частью 4 пульповыдачной трубы 3. Устройство снабжено поворотным стволом 6 с гидромониторной насадкой 7. Ствол 6 соединен эксцентрично боковым шарниром 8 с напорной колонной 1, выполненной с осевым шарниром 9, расположенным выше бокового шарнира 8 и ниже пульповыдачной трубы 3-4. Устройство обеспечивает производительную скважинную гидродобычу полезных ископаемых с тяжелыми минералами из мощных глубокозалегающих месторождений. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для разработки методом скважинной гидродобычи (СГД) мощных глубокозалегающих месторождений неоднородных по прочности полезных ископаемых с тяжелыми минералами.

Известна установка для СГД, включающая внутреннюю напорную колонну с боковым шарниром и телескопическим хвостовиком с гидромониторной насадкой 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. Недостатками известной установки является то, что для перемещения приемного отверстия нужно перемещать всю пульповыдачную трубу, а также низкая производительность при разработке неоднородных по прочности полезных ископаемых, так как для разрушения обрушенной массы насадка должна периодически перемещаться из бокового положения в осевое.

Известно устройство для СГД, включающее напорную колонну с осевой и боковой гидромониторными насадками, пульповыдачную трубу с приемным отверстием, причем пульпоприемное отверстие находится ниже боковой разрушающей насадки и устройство снабжено расчищающей насадкой (см. авторское свидетельство СССР № 827793, М. кл. Е 21 С 45/00, публ. 1981).

Недостатками известной установки являются малый радиус отрабатываемых камер и невысокая надежность ввиду сложности установки. Для перемещения пульпоприемного отверстия нужно перемещать всю пульповыдачную трубу, а для глубокозалегающих месторождений это трудоемкая операция.

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. Аренс 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 низкая производительность ввиду малого радиуса отрабатываемых камер, неэффективная отработка неоднородных по прочности и требующих принудительного обрушения полезных ископаемых.

Задача изобретения - создание производительного устройства для скважинной гидродобычи полезных ископаемых с тяжелыми минералами из мощных неоднородных по прочности глубокозалегающих месторождений, обеспечивающего отработку камер большого радиуса и качественное пульпоприготовление.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых содержит внутреннюю подвижную напорную колонну с гидромониторной насадкой на конце, внешнюю пульповыдачную трубу с телескопической нижней частью с приемным отверстием, жестко соединенной с напорной колонной, которая разделена осевым шарниром на верхнюю и нижнюю, установленную с возможностью вращения относительно продольной оси части, при этом устройство снабжено поворотным стволом с гидромониторной насадкой, соединенным эксцентрично боковым шарниром с нижней частью напорной колонны, а осевой шарнир расположен выше бокового шарнира и ниже пульповыдачной трубы.

Другим отличием является то, что поворотный ствол выполнен с боковыми гидромониторными насадками.

Еще одним отличием является то, что поворотный ствол установлен эксцентрично относительно оси бокового шарнира.

Отличием является также то, что осевой шарнир выполнен с фрикционной муфтой.

Отличием является и то, что нижняя часть напорной колонны выполнена с телескопическим хвостовиком, расположенным ниже бокового шарнира.

Отличием является, кроме этого, и то, что боковой шарнир снабжен пружиной подъема поворотного ствола.

На фиг.1 показано устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых; на фиг.2 - другой вид части устройства с поворотным стволом в горизонтальном положении.

Устройство содержит внутреннюю подвижную напорную колонну 1 с гидромониторной насадкой 2 на конце, внешнюю пульповыдачную трубу 3 с телескопической нижней частью 4 с приемным отверстием 5. Напорная колонна 1 жестко соединена с телескопической нижней частью 4 пульповыдачной трубы 3. Устройство снабжено поворотным стволом 6 с гидромониторной насадкой 7. Поворотный ствол 6 соединен эксцентрично боковым шарниром 8 с напорной колонной 1, выполненной с осевым шарниром 9, расположенным выше бокового шарнира 8 и ниже пульповыдачной трубы 3-4.

Поворотный ствол 6 установлен с эксцентриситетом «А» (фиг.1) относительно оси напорной колонны; он в случае технологической необходимости выполняется с боковыми гидромониторными насадками 10, 11 и с эксцентриситетом «В» (фиг.2) относительно оси бокового шарнира.

В осевом шарнире 9 напорная колонна 1 разъединена на две части. Нижняя часть 12 напорной колонны 1 установлена на подшипнике 13 с возможностью вращения относительно продольной оси и соединяется с верхней частью напорной колонны 1 посредством фрикционной муфты, состоящей из направляющих втулок 14, 15 и пружины 16. Верхняя направляющая втулка 14 установлена на шпонке 17. Прижатие направляющей втулки 14 к коробке 18, закрепленной на верхней части напорной колонны 1, обеспечивается пружиной 16 и гайкой 19.

Нижняя часть 12 напорной колонны 1 может быть выполнена с телескопическим хвостовиком 20, расположенным ниже бокового шарнира 8 и снабженным выдвижным стволом 21.

Боковой шарнир 8 имеет патрубок 22, корпус 23 с подшипником 24 и снабжен съемной пружиной 25 подъема поворотного ствола 6. На нижней части 12 напорной колонны 1 установлен упор 26 (постоянный или съемный), ограничивающий подъем поворотного ствола 6.

Устройство работает следующим образом.

Глубокозалегающее мощное обводненное месторождение, представленное неоднородным по прочности полезным ископаемым (ПИ) с тяжелыми минералами, например богатые железные руды КМА в остаточных корах выветривания, вскрывается скважиной, в которую до кровли рабочего горизонта опускается пульповыдачная труба 3. Через нее до почвы рабочего горизонта производят спуск напорной колонны 1 с телескопической нижней частью 4 пульповыдачной трубы 3 и поворотным стволом 6. При спуске запорные элементы (не показаны) каналов всех гидромониторных насадок закрыты. При подаче в напорную колонну рабочего агента (вода или газожидкостная смесь) и достижении заданного избыточного давления открывается канал гидромониторной насадки 2, и струя производит размыв призабойной зоны, а образующаяся пульпа с помощью эрлифта выдается на поверхность. При этом канал поворотного ствола 6 остается закрытым, а поворотный ствол 6, если установлена съемная пружина 25, автоматически отклоняется на определенный угол. Если она снята - поворотный ствол 6 занимает под влиянием силы тяжести вертикальное положение. По мере очистки и углубления забоя выдвижной ствол 21 под действием рабочего агента выдвигается из телескопического хвостовика 20, гидромониторная насадка 2 следует за забоем и эффективно разрушает массив ПИ или крупнообломочный материал обрушенных масс с одновременным пульпоприготовлением. Периодически опускается (или поднимается при поднятии забоя из-за обрушения ПИ) напорная колонна 1 с нижней частью пульповыдачной трубы 4; в результате пульпоприемное отверстие 5 постоянно находится в зоне оптимальной плотности пульпы.

Процесс добычи одной гидромониторной насадкой 2 производится до тех пор, пока на забое имеется или непрерывно поступает в процессе самообрушения достаточное количество ПИ и не образуется устойчивая полость. Дальнейшее извлечение ПИ производится с применением поворотного ствола 6. С этой целью увеличивается на заданную величину подача рабочего агента. Запорное устройство открывает внутренний канал поворотного ствола 6, который при отсутствии съемной пружины 25 отклоняется от оси скважины за счет реактивной составляющей истекающей струи и эксцентриситета «В» относительно оси бокового шарнира, и производится размыв ПИ гидромониторными насадками 7, 10, 11. Порядок включения в работу гидромониторных насадок обеспечивается известным(и) запорным(и) устройством(и), что позволяет производить расширение камеры как одновременно с процессами пульпоприготовления на забое гидромониторной насадкой 2 и транспортировки пульпы, так и последовательно.

При незначительной длине и весе (длина и вес ограничены из-за малой величины эксцентриситета «В») поворотный ствол 6 за счет реактивной составляющей струи, вытекающей из гидромониторной насадки 7, выводится на заданный угол, ограниченный положением упора 26. Одновременно за счет эксцентриситета «А» оси поворотного ствола 6 относительно оси напорной колонны 1 нижняя часть 12 напорной колонны 1 вместе с поворотным стволом 6 вращается на осевом шарнире 9, формируя цилиндрическую камеру. Для создания шарообразной камеры перед спуском устройства в скважину снимается упор 26; с помощью фрикционной муфты путем сжатия пружины 16 посредством гайки 19 устраняют возможность вращения в шарнире 9. В этом случае поворотный ствол 6 вращается на боковом шарнире 8 в плоскости, параллельной оси скважины, при этом, вращая одновременно с поверхности напорную колонну 1 вокруг ее оси, формируют шарообразную камеру.

Если при использовании поворотного ствола 6 с гидромониторной насадкой 7 недостаточно реактивной составляющей для его вывода в заданное положение, то с целью усиления крутящего момента используется съемная пружина 25, которая устанавливается в таком случае перед спуском устройства в скважину. Эта пружина, кроме того, используется для вывода поворотного ствола 6 на ограниченный упором 26 угол, если поворотный ствол 6 выполнен без эксцентриситета «В».

Подключение к процессу гидродобычи гидромониторных насадок 10 и 11 производится путем изменения объема подачи к устройству рабочих агентов, когда необходимо обеспечить выполнение определенных технологических действий. В частности, совместная работа гидромониторных насадок 7 и 10 не только усиливает количество размываемого ПИ, но и повышает степень его дезинтеграции, что особенно важно при отбойке относительно прочных разновидностей. В этом случае подъем поворотного ствола 6 обеспечивается за счет реактивной составляющей струи из гидромониторной насадки 10, размещенной под углом к оси поворотного ствола 6. Кроме того, гидромониторная насадка 10 может работать на отбойку самостоятельно, обеспечивая как вывод поворотного ствола 6 на заданный угол, так и размыв полезного ископаемого, если энергии струи будет достаточно, например, для рыхлых горизонтов ПИ.

При совместной работе гидромониторных насадок 7 и 11 подъем поворотного ствола 6 производится за счет реактивной составляющей струи из гидромониторной насадки 11, размещенной под углом к оси поворотного ствола 6; одновременно будет осуществляться дополнительная дезинтеграция отбитого материала и его гидротранспорт на забой к месту пульпоприготовления и гидроподъема. Последнее необходимо при значительной длине поворотного ствола 6. Совместная работа всех гидромониторных насадок обеспечивает эффективную разработку ПИ, в том числе слабо сцементированных, в камерах значительного диаметра.

Гидромониторная насадка 2, производящая доизмельчение поступающего на забой материала и пульпоприготовление, как правило, открыта. Но в случае, когда, например, при отбойке относительно прочных руд на забой поступает недостаточное количество материала, она перекрывается, чтобы усилить энергию на размыве. Тогда процесс размыва и гидроподъема будет производиться последовательно.

Моменты открытия и закрытия гидромониторных насадок задаются путем регулирования запорных устройств по объему подачи рабочих агентов (рабочего давления). В том случае, если работа выполняется в заведомо ясных условиях и не требуется использования всех гидромониторных насадок, неиспользуемые гидромониторные насадки заглушают перед спуском в скважину, а запорные устройства, изготовленные как вставные блоки, удаляют для снижения внутренних сопротивлений и уменьшения веса устройства.

Скорость вращения поворотного ствола 6 вместе с нижней частью 12 напорной колонны 1 регулируется силой сжатия пружины 16 посредством гайки 19 перед спуском устройства в скважину. Расположенный ниже пульповыдачной трубы 4 осевой шарнир 9 не мешает потоку пульпы и соответственно мало изнашивается. Наличие осевого шарнира позволяет, кроме того, упростить управление, снизить энергозатраты и износ оборудования при осевом вращении устройства, так как не требуется вращать всю напорную колону, что особенно существенно при эксплуатации месторождений, залегающих на больших глубинах. Наличие пружины 25 повышает надежность подъема поворотного ствола 6, а при определенных параметрах устройства позволяет исключить расход реактивной энергии струй на его подъем. Расположение телескопического хвостовика 20 ниже бокового шарнира 8 предотвращает перекрытие канала поворотного ствола 6 выдвижным стволом 21.

Таким образом, предлагаемое гидродобычное устройство обеспечивает высокую производительность на добыче из мощных неоднородных по прочности месторождений ПИ, в том числе состоящих из тяжелых минералов, за счет: эффективной системы вывода гидромониторного вооружения в рабочее положение; возможностей изменения конфигурации устройства на забое, без подъема оборудования на поверхность, в зависимости от возникающих изменений условий гидродобычи, что важно для извлечения ПИ из глубоких и мощных залежей, а также за счет качественного пульпоприготовления.

В конечном счете, обеспечивается возможность, при необходимости, перенастраивать работу гидродобычного устройства без подъема на поверхность и производить комплексные технологические операции, в том числе: одновременно доизмельчение, пульпоприготовление и гидроподъем самообрушающейся дезинтегрированной массы с забоя; одновременно размыв, обрушение, доизмельчение, гидротранспортировку на забой, пульпоприготовление и гидроподъем пульпы; или последовательно: вначале обрушение, доизмельчение, гидротранспортировку на забой, а затем - дополнительное доизмельчение, пульпоприготовление и гидроподъем пульпы.

1. 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 напорной колонной, отличающееся тем, что напорная колонна разъединена осевым шарниром на верхнюю и нижнюю, установленную с возможностью вращения относительно продольной оси, части, при этом устройство снабжено поворотным стволом с гидромониторной насадкой, соединенным эксцентрично боковым шарниром с нижней частью напорной колонны, а осевой шарнир расположен выше бокового шарнира и ниже пульповыдачной трубы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотный ствол выполнен с боковыми гидромониторными насадками.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотный ствол установлен с эксцентриситетом относительно оси бокового шарнира.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осевой шарнир выполнен с фрикционной муфтой.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть напорной колонны выполнена с телескопическим хвостовиком, расположенным ниже бокового шарнира.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой шарнир снабжен пружиной подъема поворотного ствола.