Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и при строительстве подземных резервуаров в растворимых породах. Техническим результатом является снижение затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого при одновременном упрощении процесса его обезвоживания. Достигается тем, что способ включает бурение скважины 2, монтаж в ней скважинного снаряда 4, подачу воды из наземного водоема 8 через скважинный снаряд 4 в создаваемую подземную камеру 14, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва 12 с возвратом воды в наземный водоем 8. При этом предварительно осуществляют проходку канавы 13 с уклоном от устья скважины 2 к наземному водоему 8, подачу воды в подземную камеру 14 производят по внешней 5 колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной 6 колонны труб с подъемом гидросмеси полезного ископаемого по этой колонне с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок 15 полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной 6 колонны труб, а отвод воды на поверхность производят по скважине 2 с возвратом в наземный водоем 8 по канаве 13. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при разработке твердых полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи и строительстве подземных резервуаров-хранилищ.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых из мерзлых песчаных отложений, включающий бурение с поверхности скважин до подошвы продуктивного пласта, монтаж в них скважинного гидромонитора и скважинного эрлифта, подачу воздуха от компрессора в скважинный эрлифт и воды из наземного водоема насосом на скважинный гидромонитор, размыв скважинным гидромонитором подземной камеры и подъем гидросмеси полезного ископаемого скважинным эрлифтом в зумпф землесосной установки, транспорт гидросмеси на карту намыва, отделение воды от руды и перекачку воды насосом оборотного водоснабжения в наземный водоем [1].

Недостаток данного способа заключается в больших энергозатратах на подъем полезного ископаемого и всей воды, подаваемой в скважинный гидромонитор при низкой плотности гидросмеси, обусловленной обычно большими расходами воды на размыв полезного ископаемого. Кроме этого, данный способ предусматривает гидротранспорт гидросмеси низкой плотности на карту намыва и перекачку воды в наземный водоем насосом оборотного водоснабжения, что также увеличивает энергозатраты на добычу полезного ископаемого.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий бурение скважины, монтаж в ней скважинного снаряда, содержащего внешнюю и внутреннюю колонны труб, подачу воды из наземного водоема через скважинный снаряд в подземную камеру, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва с возвратом в наземный водоем воды, отделяющейся от полезного ископаемого [2].

Недостаток данного способа также связан с большими затратами энергии на эрлифтный подъем полезного ископаемого и всей воды, подаваемой в скважину.

Решаемая задача заключается в снижении энергозатрат при скважинной гидродобыче полезных ископаемых за счет сокращения количества воды, поднимаемой через скважину и транспортируемой на карту намыва.

В результате решения этой задачи достигаются следующие преимущества:

- снижение затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого и воды,

- увеличение плотности поднимаемой гидросмеси, что упрощает процесс обезвоживания полезного ископаемого, поступающего на карту намыва.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в способе скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающем бурение скважины, монтаж в ней скважинного снаряда, содержащего внешнюю и центральную колонны труб, подачу воды насосом из наземного водоема через скважинный снаряд в образуемую подземную камеру, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва с возвратом в наземный водоем воды, отделяющейся от полезного ископаемого, согласно предлагаемому техническому решению предварительно осуществляют проходку канавы с уклоном от устья скважины к наземному водоему, подачу воды в подземную камеру производят по внешней колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной колонны труб, подъем гидросмеси полезного ископаемого ведут по центральной колонне труб с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб, а отвод воды из подземной камеры на поверхность производят по скважине, с возвратом ее в наземный водоем по канаве.

Кроме того, при подъеме гидросмеси полезного ископаемого эрлифтированием в скважинном снаряде устанавливают дополнительную внутреннюю колонну труб, по которой осуществляют подачу воздуха в нижнюю часть центральной колонны труб.

Проходка канавы с уклоном от устья скважины к наземному водоему и отвод из подземной камеры на поверхность воды по скважине с возвратом ее в наземный водоем по канаве позволяют не расходовать энергию на подъем и гидротранспорт основной массы воды, подаваемой в подземную камеру, так как ее возврат производится самотеком.

Подача воды в подземную камеру по внешней колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной колонны труб способствует размыву и взвешиванию осадка полезного ископаемого, накапливающегося в зоне всасывания гидросмеси, что снижает сопротивление при всасывании полезного ископаемого и, следовательно, уменьшает энергозатраты при его подъеме на поверхность.

Подъем гидросмеси полезного ископаемого по центральной колонне труб с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб, с одной стороны, позволяет поднимать крупнообломочный материал по трубе круглого сечения, а не по кольцевому зазору, что обеспечивает максимальную крупность поднимаемого полезного ископаемого, с другой стороны, создается возможность накопления в зоне всасывания осадка полезного ископаемого, что позволяет поднимать гидросмесь высокой плотности без подъема из подземной камеры лишней воды и снизить энергозатраты на подъем полезного ископаемого в целом.

Кроме того, подачей воздуха в нижнюю часть центральной колонны труб по дополнительной внутренней колонне труб скважинного снаряда создается возможность применения эрлифтного подъема полезного ископаемого, что при глубине добычи более 30 м является менее энергоемким, по сравнению с гидроэлеваторным.

Таким образом, совокупность вышеперечисленных признаков обеспечивает решение задачи снижения энергозатрат при скважинной гидродобыче полезных ископаемых.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых в плане.

На фиг.2 - схема осуществления способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых в разрезе.

На фиг.3 - нижняя часть подземной камеры при гидроэлеваторном подъеме гидросмеси полезного ископаемого.

На фиг.4 - нижняя часть подземной камеры при эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого.

На фигурах 1, 2, 3 и 4 изображены: буровая установка 1, используемая для проходки скважины 2 до подошвы продуктивного пласта 3 полезного ископаемого, скважинный снаряд 4, содержащий внешнюю 5 и центральную 6 колонны труб, а также дополнительную внутреннюю колонну труб 7 для подачи воздуха (при эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого). На наземном водоеме 8 установлен насос 9, соединенный водоводом 10 со скважинным снарядом 4. Пульповод 11 проложен от скважинного снаряда 4 до карты намыва 12. Проходку водоотводной канавы 13 производят от устья скважины 2 до наземного водоема 8. На дне создаваемой подземной камеры 14, выше нижнего конца центральной колонны труб 5, накапливается осадок 15 полезного ископаемого (фиг.4). При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого дополнительную внутреннюю колонну труб 7 скважинного снаряда 4 соединяют с компрессором 16 через наземный воздуховод 17 (фиг.1).

Способ осуществляется следующим образом. С поверхности земли буровой установкой 1 пробуривают скважину 2 до подошвы продуктивного пласта 3. От устья скважины 2 с помощью бульдозера проходят канаву 13 к наземному водоему 8 с уклоном в его сторону (фиг.1). В скважине 2 с помощью буровой установки 1 монтируют скважинный снаряд 4, содержащий внешнюю 5 и центральную 6 колонны труб. При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого в скважинном снаряде 4 монтируют дополнительную внутреннюю колонну труб 7 (фиг.4). После монтажа труб скважинного снаряда 4 последний подсоединяют к водоводу 10 и воздуховоду 17 (фиг.1) и из наземного водоема 8 насосом 9 по водоводу 10 и внешней колонне труб 5 осуществляют подачу воды под уровень нижнего конца центральной колонны труб 6 в создаваемую подземную камеру 14. Под воздействием воды полезное ископаемое продуктивного пласта 3 разрушается и опускается в низ подземной камеры 14, образуя на дне осадок 15, который размывается и взвешивается струями подаваемой воды (фиг.3), после чего по центральной колонне труб 6 гидросмесь полезного ископаемого поднимают на дневную поверхность с производительностью, при которой на дне создаваемой подземной камеры 14 накапливается осадок 15 до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6. Далее по пульповоду 11 гидросмесь направляют на карту намыва 12, где происходит отделение полезного ископаемого, при этом воду, поднятую скважинным снарядом 4 вместе с гидросмесью полезного ископаемого, самотеком возвращают в наземный водоем 8 по канаве 13.

Подъем гидросмеси полезного ископаемого на поверхность может осуществляться с использованием в качестве скважинного снаряда 4 гидроэлеваторного (фиг.3) или эрлифтного (фиг.4) скважинных снарядов. При эрлифтном подъеме гидросмеси полезного ископаемого в скважинном снаряде 4 монтируют дополнительную внутреннюю колонну труб 7 (фиг.4), по которой и воздуховоду 17 от компрессора 16 в нижнюю часть центральной колонны труб 6 подают сжатый воздух. При этом также подъем гидросмеси полезного ископаемого ведут с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры 14 осадок 15 полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6, что обеспечивает высокую плотность поднимаемой гидросмеси полезного ископаемого. Регулирование производительности подъема гидросмеси полезного ископаемого осуществляют изменением расхода подаваемой на скважинный снаряд 4 воды (при гидроэлеваторном подъеме) или сжатого воздуха (при эрлифтном подъеме). Основную массу воды, обычно около 75%, извлекают через скважину 2 и по канаве 13 самотеком возвращают в поверхностный водоем 8 за счет уклона канавы 13, создаваемого в сторону водоема 8.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа решается задача снижения затрат энергии на подъем гидросмеси полезного ископаемого и воды, благодаря тому, что основная масса воды, подаваемой в подземную камеру 14, отводится по скважине 2 и канаве 13 в наземный водоем 8, а не поднимается скважинным снарядом 4 на поверхность вместе с полезным ископаемым. Одновременно с этим решается задача увеличения плотности поднимаемой гидросмеси за счет накопления в нижней части камеры 14 осадка 15 полезного ископаемого толщиной, превышающей уровень нижнего конца центральной колонны труб 6 скважинного снаряда 4, что достигается регулированием производительности подъема гидросмеси. В результате этого упрощается процесс обезвоживания полезного ископаемого, поступающего на карту намыва 12, и снижаются энергозатраты при скважинной гидродобыче.

Примером конкретного выполнения способа может служить добыча погребенных многолетне-мерзлых песков. Продуктивный пласт 3, перекрытый мерзлыми глинистыми отложениями, вскрывают скважиной 2 с помощью буровой установки 1. От устья скважины 2 до наземного водовода 8 бульдозером проходят канаву 13 с уклоном в сторону наземного водоема 8. В скважине 2 с помощью автокрана монтируют скважинный снаряд 4, состоящий из внешней (водоподающей) колонны труб 5, центральной (пульпоподъемной) колонны труб 6 и дополнительной внутренней (воздухоподающей) колонны труб 7, соединенной в нижней части с центральной колонной труб 6 (фиг.4). Нагретую от солнечной радиации воду из поверхностного водоема 8 при температуре +12°С насосом 9 марки Д 1250/63 с расходом 1000 м³/ч по водоводу 10 подают в четыре скважинных снаряда 4. Вода по внешней колонне труб 5 с расходом 250 м³/ч поступает в нижнюю часть создаваемой подземной камеры 14. В результате теплообмена на стенках подземной камеры 14 происходит оттаивание мерзлого продуктивного пласта песка 3 с образованием осадка 15 оттаявшего песка, накапливающегося на дне подземной камеры 14. При удельном расходе 10 м³ воды на оттаивание 1 м³ песка за 1 час на дне подземной камеры 14 будет накапливаться около 25 м³ песка. При подаче воздуха от компрессора 16 по воздуховоду 17 и дополнительной внутренней колонне труб 7 с расходом 10 м³/мин производительность подъема гидросмеси полезного ископаемого составит 125 т/ч с содержанием в ней 25 м³/ч песка и 75 м³/ч воды при плотности гидросмеси 1,3 т/м³. Если уменьшается плотность поднимаемой гидросмеси, то снижают расход подаваемого воздуха и, тем самым, производительность эрлифтирования, что обеспечивает накопление осадка 15 на дне подземной камеры 14 до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб 6. Основная масса воды, подаваемой в подземную камеру 14 с расходом 150 м³/ч, по скважине 2 и канаве 13 с температурой около 4°С самотеком возвращается в наземный водоем 8, где происходит ее повторное нагревание.

Комплекс оборудования, состоящий из одного насоса 9 и четырех скважинных снарядов 4, обеспечивает производительность гидродобычи песка около 100 м³/ч.

Источники информации

1. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1980, с.28.

2. Аренс В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. М.: МГРА, 1995, с.7.

1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых, включающий бурение скважины, монтаж в ней скважинного снаряда, содержащего внешнюю и центральную колонны труб, подачу воды насосом из наземного водоема через скважинный снаряд в образуемую подземную камеру, подъем гидросмеси полезного ископаемого и гидротранспорт ее на карту намыва с возвратом в наземный водоем воды, отделяющейся от полезного ископаемого, отличающийся тем, что предварительно осуществляют проходку канавы с уклоном от устья скважины к наземному водоему, подачу воды в подземную камеру производят по внешней колонне труб скважинного снаряда под уровень нижнего конца центральной колонны труб, подъем гидросмеси полезного ископаемого ведут по центральной колонне труб с производительностью, позволяющей накапливать на дне подземной камеры осадок полезного ископаемого до уровня, превышающего уровень нижнего конца центральной колонны труб, а отвод из подземной камеры на поверхность воды производят по скважине с возвратом ее в наземный водоем по канаве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при подъеме гидросмеси полезного ископаемого эрлифтированием в скважинном снаряде устанавливают дополнительную внутреннюю колонну труб, по которой осуществляют подачу воздуха в нижнюю часть центральной колонны труб.