Способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых

Изобретение относится к горному делу и может применяться при скважинной гидродобыче любых полезных ископаемых при разработке их на больших глубинах или в сложных горно-геологических условиях с помощью направленных (вертикально-горизонтальных) скважин, где создаются зоны дробления добываемой породы, которая размывается гидродобычным агрегатом и в виде гидросмеси или пульпы выдается на земную поверхность. Задачей предлагаемого изобретения является разработка такой технологии скважинной добычи полезных ископаемых без участия человека, которая позволила бы осуществлять беспрепятственное прохождение скважинного гидродобычного агрегата при разработке пород любых твердых полезных ископаемых. Технический результат - улучшение условий для прохождения гидродобычного агрегата, что позволит интенсифицировать процесс гидродобычи и повысить производительность добычи полезных ископаемых. Сущность способа скважинной гидродобычи: пробуривают горизонтальную часть скважины выше подошвы продуктивного пласта на половину диаметра (по центру) запланированных добычных камер, исходя из предварительных расчетов с учетом предела прочности разрабатываемой породы, загружают ее секционно расположенными рассчитанными удлиненными зарядами ВВ, разделенными инертным материалом и заключенными в разрушаемую оболочку с дальнейшим осуществлением последовательного инициирования этих зарядов, с замедлением в каждой секции, с получением отдельных раздробленных участков, разделенных целиками продуктивной породы, содержащих зоны ненарушенных пород, необходимых для беспрепятственного прохождения скважинного гидродобычного агрегата по оси добычных камер, размывом дробленой породы и выдачи ее в виде гидросмеси или пульпы на земную поверхность. 4 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и может применяться при скважинной гидродобыче любых полезных ископаемых при разработке их на больших глубинах или в сложных горно-геологических условиях с помощью направленных (вертикально-горизонтальных) скважин, где создаются зоны дробления добываемой породы, которая размывается скважинным гидродобычным агрегатом и в виде пульпы выдается на земную поверхность.

Известен способ секционного (рассредоточенного) расположения зарядов ВВ, включающий использование вертикальных колонковых зарядов, рассредоточение их по длине скважины с оставлением между ними промежутков для увеличения полезного использования энергии взрыва. Это обеспечивает получение равномерного и эффективного дробления горной массы заданной кусковатости в вертикальных скважинах особенно в сближенных и расположенных по контуру или вблизи контура сооружаемой выемки (Миндели Э.О. Разрушение горных пород. - М.: Недра, 1975, - 600 с., Мельников Н.В., Марченко Л.Н. Энергия взрыва и конструкция заряда. - М.: Недра, 1964. - 139 с.). Способ применяется для управления процесса дробления в пределах запроектированной выемки.

Недостатком этого способа является неудобство формирования промежутков между зарядами ВВ и то, что он применим только для вертикальных добычных скважин, и для его осуществления необходимо наличие нескольких скважин, обуславливающих формирование взрывом зарядов ВВ зоны интенсивной раздробленности разрушаемого массива горной породы.

Известен способ формирования зарядов с воздушными промежутками для вертикальных скважин (патент РФ №2314488, опубл. 10.01.2008 г.), включающий предварительное размещение в сухой скважине гидроизоляционной оболочки, формирование в ней заряда неводоустойчивых ВВ, разделение его воздушными промежутками из вспененного полистирола, что позволяет повысить эффективность взрываемого дробления горных пород.

Недостатком способа является применение неводоустойчивых ВВ, необходимость проведения работ по осушению скважин от бурового раствора перед формированием общей герметичной гидроизоляционной оболочки для зарядов ВВ и разделяющих их промежутков из вспененного полистирола, обладающего высокой электризуемостью, что отрицательно сказывается на безопасности проведения взрывных работ и возможности создания только общего массового дробления горных пород.

Известен способ по созданию скважинного контурного заряда (патент РФ №2304755, опубл. 20.08.2007 г.) в вертикальных скважинах для получения зарядных контуров выемки в пределах проектного профиля работ, за счет разработки рассредоточенного скважинного контурного заряда, включающего формирование гирлянды патронов взрывчатого вещества в едином полимерном рукаве, путем пережатия рукава на необходимых расстояниях и инициированных единым детонирующим шнуром.

Недостатком изобретения является использование полимерных рукавов, применение которых возможно только для вертикальных скважин и невозможно - в горизонтальных частях направленных скважин из-за сморщивания и спрессовывания рукавов, в связи с малой толщиной полимерного материала и разделения гирлянд зарядов между собой только воздушными промежутками.

Наиболее близким аналогом является способ (патент РФ №2186208 от 27.07.2002 г.) скважинной добычи минеральных солей, включающий вскрытие продуктивного пласта вертикально-горизонтальной скважиной, горизонтальная часть которой проходит вблизи подошвы продуктивного пласта, подачу рабочего раствора и выдачу рассола или гидросмеси (пульпы) минеральных солей на поверхность. Горизонтальную часть скважины осушают, заряжают ВВ, разрушают взрывом продуктивный пласт, проводят монтаж добычного агрегата, после чего осуществляют размыв равновесным с породой раствором раздробленной взрывом породы продуктивного пласта продвижением добычного агрегата до конца горизонтальной части скважины с выдачей на поверхность образованной пульпы и формированием горизонтальной очистной камеры. Затем производят подачу рабочего раствора для растворения нарушенной взрывом породы и выдачу рассола на поверхность с перемещением добычного агрегата, работающего в режиме растворения, к началу горизонтальной камеры.

Недостатком предлагаемого способа является то, что в нем не учитывается увеличение размера частиц раздробленной породы с удалением от оси заряда ВВ, которые отрицательно влияют на процесс гидродобычи. Более крупные частицы из верхних слоев разрабатываемой породы под действием силы тяжести будут оседать на добычной агрегат, т.к. в условиях повышенной концентрации рабочей жидкости эти частицы будут плохо растворяться и тем самым затруднять его продвижение вперед, к тому же сам агрегат под действием этой же силы будет опускаться вниз, отклоняясь от оси добычной скважины в зону менее интенсивного дробления, размеры частиц которых затрудняют процесс гидродобычи. Кроме того, в предлагаемом способе бурение горизонтальной части скважины осуществляется вблизи подошвы продуктивного пласта, что не обеспечивает полноту извлечения верхней его части.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка такой технологии скважинной добычи полезных ископаемых без участия человека, которая позволила бы осуществлять беспрепятственное прохождение скважинного гидродобычного агрегата при разработке пород любых твердых полезных ископаемых.

Технический результат - улучшение условий для прохождения скважинного гидродобычного агрегата, интенсификация процесса гидродобычи и повышение производительности добычи полезных ископаемых.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающем вскрытие продуктивного пласта горизонтальным стволом направленной скважины, закладку этого ствола взрывчатым веществом (ВВ), разрушение взрывом продуктивного пласта до запланированной крупности частиц, спуск скважинного гидродобычного агрегата, размыв раздробленной взрывом породы, продвижение этого агрегата с выдачей на поверхность образованной гидросмеси или пульпы и формирование горизонтальных камер, особенность заключается в том, что перед вскрытием продуктивного пласта горизонтальным стволом скважины, в зависимости от предела прочности породы, вычисляют диаметр предполагаемых добычных камер и пробуривают горизонтальную часть скважины выше подошвы продуктивного пласта на половину этого диаметра (по центру), загружают ее секционно расположенными рассчитанными удлиненными зарядами ВВ, разделенными инертным материалом и заключенными в разрушаемую оболочку, затем осуществляют последовательное инициирование этих зарядов, с замедлением в каждой секции, с получением отдельных участков раздробленных зон, разделенных целиками продуктивной породы, содержащих зоны ненарушенных пород, необходимых для беспрепятственного прохождения скважинного гидродобычного агрегата по оси добычных камер.

Расположение горизонтальной части наклонной скважины выше подошвы продуктивного пласта на половину диаметра запланированной добычной камеры обеспечивает беспрепятственное прохождение СГДА, т.к. крупные частицы пород из кровли этих камер будут скапливаться под добычным агрегатом в образовавшихся полостях.

Закладка горизонтальной части скважины рассредоточенными секционно расположенными удлиненными зарядами ВВ позволяет после взрыва получить серию добычных камер, разделенных перегородками из ненарушенных пород - целиков, создающих условия для беспрепятственного прохождения скважинного гидродобычного агрегата по осевому направлению камер, за счет гидроразмыва раздробленной взрывом породы продуктивного пласта, до конца горизонтальной части скважины и позволяющих избежать заклинивания его крупными кусками продуктивной породы и выпавшей из кровли разрабатываемого пласта пустой породы, а также получать возможность осуществлять беспрепятственное прохождение вперед и назад, т.е. как при осуществлении добычных работ, так и при его извлечении после окончания данных работ.

Длину каждой секции удлиненного заряда ВВ определяют, исходя из размеров планируемой зоны дробления. Последняя рассчитывается с учетом прохождения в добычной камере скважинного гидродобычного агрегата, сконструированного (с учетом диаметра и марки стали применяемых труб) на добычу той или иной крупности частиц раздробленного продуктивного пласта, без отклонения его за пределы диаметра горизонтальной части наклонной скважины, т.е. учитывая возможную величину прогибания данного гидродобычного агрегата, по формуле

где l - длина зоны разрушения, соответствующая длине гидродобычного агрегата, проходящего эту зону без отклонения за пределы диаметра горизонтальной части наклонной скважины, м;

ΔY_max - величина прогиба работающего гидродобычного агрегата, м;

q - масса 1 метра работающего гидродобычного агрегата, кг;

Е - модуль упругости для выбранной марки стали труб гидродобычного агрегата, МПа;

R - радиус внешней трубы корпуса гидродобычного агрегата, м;

S - толщина стенок труб, составляющих гидродобычной агрегат, м.

Диаметр зоны разрушения (d_i) продуктивной породы при взрыве каждой секции заряда ВВ, в которой формируются частицы той крупности, на извлечение которой рассчитан гидродобычной агрегат, определяется по формуле

где l_r - размер частицы, мм;

α₂, К_on - экспериментальные данные;

d_з - диаметр детонации удлиненного заряда ВВ, м;

D - скорость удлиненного заряда ВВ, м/с;

ρ_ВВ - плотность удлиненного заряда ВВ, кг/м³;

γ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ВВ;

σ_мд - предел прочности пород при интенсивном мелкодисперсном дроблении, Па, рассчитывается по уравнению

σ_мд=13[l+(f-15)·0,079+0,019(f-15)²]·10⁸, Па,

где f=σ_сж/10⁷ Па

σ_сж - предел прочности пород при одноосном сжатии, МПа.

Длина заряда ВВ (l_з) для получения требуемой зоны разрушения рассчитывается по формуле

где l_з - длина заряда ВВ, м;

l - длина зоны разрушения (т.е. будущей добычной камеры), м;

r_з - радиус заряда ВВ, м;

- внешний радиус зоны дробления клиновидных секторов породы при взрыве торца удлиненного заряда ВВ (м), определяемый по формуле

где τ_сдв - предел прочности на сдвиг добываемой породы, Па.

Расчет расстояния между торцами двух секционных зарядов ВВ (l_мз), обуславливающий общий размер целика, разделяющего две добычные камеры, с учетом ненарушенной части породы, определяется

где Р - вес работающего гидродобычного агрегата длиной в одну добычную камеру, Н;

- внешний радиус зоны радиального трещинообразования при взрыве торца удлиненного заряда (ВВ) (м), который рассчитывается по формуле

где σ_рас - предел прочности пород при одноосном растяжении, МПа.

Толщина образующихся целиков (l_ц) с учетом ненарушенной части породы и зоны клиновидных секторов определяется по формуле

Толщина ненарушенной части породы (l_нц) в целике может быть вычислена по формуле

которая является составной частью формулы (7).

При исследовании отличительных признаков описываемого способа был проведен поиск по патентным и научно-техническим источникам информации для выявления источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, который позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного способа преобразований для достижений технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Пример осуществления способа. Способ поясняется фиг.1-4.

Фиг.1. Продуктивный пласт породы (1) вскрывают горизонтальной частью направленной буровой скважины (2), расположенной согласно предварительно произведенным расчетам выше подошвы пласта на половину диаметра добычной камеры. В скважину закладывают секционно расположенные удлиненные заряды из того или иного типа ВВ (6), разделенные инертным материалом (8). Длина секций, диаметр зон разрушения, длина заряда ВВ, расстояния между ними, толщина образующихся целиков и в их пределах ненарушенной взрывом части породы рассчитываются по формулам 1-8, исходя из значений предела прочности породы, предельной крупности дробления породы продуктивного пласта, выбранной конструкции скважинного гидродобычного агрегата.

Путем последовательного инициирования зарядов ВВ (через геофизический кабель (7) фиг.1), при соответствующем замедлении взрывания каждой секции, получается (фиг.2) последовательный ряд отдельных горизонтальных разрушенных зон дробления (9) расчетной длины, разделенных участками (целиками), содержащими в себе вертикальный прослой оптимальной площади ненарушенной породы (10), которая определяет несущую способность образующегося целика (фиг.3), где показана схема возможного взрывного разрушения продуктивной породы в пределах зоны, заполненной инертным материалом.

На фиг.4 показан процесс скважинной гидродобычи из горизонтального участка направленной скважины перемещающимся добычным агрегатом (11), осуществляющий размыв (12) раздробленной взрывом продуктивной породы (14) с образованием гидросмеси и всасывания ее (13) для выдачи на земную поверхность. Из фиг.4 видно прохождение СГДА по центру добычных камер с опорой на разделяющий их целик (10) и расположение выпавших негабаритных кусков породы (9) на дне образовавшейся камеры, что позволяет гидродобычному агрегату беспрепятственно передвигаться в следующую добычную камеру.

Так для отработки раздробленных частиц, например, крупностью до 23 мм и до 58 мм горных пород, имеющих пределы прочности σ_сж 15 МПа (разновидности пород типа каменной соли, гипса и т.п.) и 150 МПа (разновидности пород типа габро, диабаза, гранитов и т.п.) скважинным гидродобычным способом, проведенные расчеты по формуле (1) показывают, что с учетом серийно выпускающихся марок труб, необходимых для изготовления скважинного гидродобычного агрегата (СГДА), обеспечивающего беспрепятственную добычу той или иной заданной максимальной крупности частиц при минимально допустимом диаметре гидродобычного агрегата для отработки частиц крупности до 23 мм, при минимально возможном для их добычи диаметре СГДА в 168 мм, длина добычной камеры будет составлять 8,5 м, а для отработки частиц крупности до 58 мм, при минимально возможном диаметре СГДА в 273 мм, составит 11,3 м, которые позволят проходить СГДА без отклонения от центра горизонтальной камеры.

Расчеты по формуле (2) показали, что с применением ВВ в виде литого тротила для пород, имеющих пределы прочности (σ_сж) в пределах 15 МПа и 150 МПа, радиус зоны разрушения с размерами частиц, не превышающими 23 мм, изменяется от 4,95 м до 1,54 м, а для размеров частиц, не превышающих 58 мм - изменяется от 13 м до 4,08 м.

Длина заряда ВВ, обеспечивающая создание условий для образования частиц породы размером до 23 мм, изменяется (по формуле 3), при добыче породы размером частиц до 23 мм, в пределах 7,77-6,77 м, а при добыче частиц размером до 58 мм - в пределах 10-8,43 м.

Расстояние между двумя секционными зарядами будет колебаться (формула 4), для получения частиц размерностью до 23 мм, в пределах 3,07-1,35 м, а для частиц размером до 58 мм - 5,13-2,24 м, в зависимости от значений прочности разрабатываемой породы. При этом образуются целики толщиной, изменяющейся согласно (формуле 5) соответственно в пределах 1,34-0,62 м и 2,7-1,03 м. В их пределах, для удержания добычного агрегата, рассчитанного на добычу частиц данной породы до 23 мм или до 58 мм, достаточная толщина ненарушенной части породы соответственно в пределах 0,02-0,002 м и 0,05-0,005 м.

Кроме того, особенность способа заключается в том, что оставшиеся крупные частицы не добытой продуктивной породы и нижние части образовавшихся перегородок, после создания серии горизонтальных добычных камер, разрушаются путем подачи в эти камеры эмульсионного ВВ и его взрыванием с последующим повторением процесса гидродобычи.

В сравнении с прототипом предлагаемое техническое решение обладает следующими преимуществами:

- позволяет обеспечить большую полноту извлечения всей раздробленной (до заданной крупности) продуктивной породы различных твердых полезных ископаемых, особенно из верхней части добычной камеры, за счет прохождения гидродобычного агрегата (в процессе добычи) не по подошве добычной камеры, а по ее центральной части;

- позволяет осуществлять беспрепятственное прохождение гидродобычного агрегата без заклинивания его падающими сверху крупными частицами продуктивной и пустой пород, в процессах продвижения его вперед (при добычных работах) и назад (при извлечении для ремонтных и после отключения всех работ), что обуславливается расположением добычного агрегата по центру добычной камеры, когда он опирается на целики из ненарушенных пород, что позволяет концентрироваться негабаритным кускам под агрегатом, на дне образовавшихся камер.

- позволяет доразрушить скопившиеся на дне камер негабаритные куски продуктивной породы (а также нижние части целиков) с последующей их гидродобычей.

Таким образом, изложенные выше материалы свидетельствуют о выполнении, при использовании заявленного способа, следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в горнодобывающей промышленности для скважинной добычи твердых полезных ископаемых в широком диапазоне пределов их прочности;

- для заявленного изобретения, в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в изобретении средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Способ скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта горизонтальным стволом направленной скважины, загрузку этого ствола взрывчатым веществом (ВВ), разрушение взрывом продуктивного пласта до запланированной крупности частиц, спуск скважинного гидродобычного агрегата, размыв раздробленной взрывом породы, продвижение этого агрегата с выдачей на поверхность образованной гидросмеси или пульпы и формирование горизонтальных камер, отличающийся тем, что перед вскрытием продуктивного пласта горизонтальным стволом скважины, в зависимости от предела прочности породы, вычисляют диаметр предполагаемых добычных камер и пробуривают горизонтальную часть скважины выше подошвы продуктивного пласта на половину этого диаметра (по центру), загружают ее секционно расположенными рассчитанными удлиненными зарядами ВВ, разделенными инертным материалом и заключенными в разрушаемую оболочку, затем осуществляют последовательное инициирование этих зарядов, с замедлением в каждой секции, с получением отдельных участков раздробленных зон, разделенных целиками продуктивной породы, содержащих зоны ненарушенных пород, необходимых для беспрепятственного прохождения скважинного гидродобычного агрегата по оси добычных камер.