Физико-механическое обоснование параметров гидромониторной разработки россыпей направленным бурением скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат наук Старцев, Василий Андреевич

• Старцев, Василий Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Старцев, Василий Андреевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СКВАЖИННО-ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫ1Х (СГД)

1.1. Общая характеристика скважинно-гидравлической добычи

1.1.1. Технологическая схема и условия применения

1.1.2. Оборудование скважинно-гидравлической разработки

1.1.3. Системы разработки

1.2. Обзор и показатели исследований скважинно-гидравлической добычи с вертикальными скважинами

1.3. Технологическая схема гидродобычи скважинами направленного бурения

1.3.1. Оборудование направленного бурения

1.3.2. Буровой инструмент

1.3.3. Конструктивные особенности гидромонитора для скважинно-гидравлической добычи с направленным бурением (СГД НБ)

1.3.4. Самотечный гидротранспорт пород от забоя и подъем пульпы на поверхность

1.4. Особенности обоснования технологических параметров скважинно-гидравлической добычи с направленным бурением. Цель и задачи исследования

1.4.1. Общие технологические параметры скважинно-гидравлической добычи

1.4.2. Особенности производительности гидромониторного размыва

1.4.3. Особенности обоснования параметров гидротранспорта породы и частиц золота

1.4.4. Об оценке устойчивости непродуктивных отложений россыпей (торфов)

1.4.5. Общая физико-механическая характеристика пород россыпей

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОМОНИТОРНОГО РАЗМЫВА

2.1. Гидродинамическая характеристика размыва пород гидромониторной струей

2.1.1. Общие определения

2.1.2. Гидродинамическая характеристика гидромониторной струи

2.1.3. Динамическое воздействие гидромониторной струи на преграду

2.2. Теоретическая модель размыва суглинистых пород

2.3. Исследование снижения осевого давления гидромониторной струи при удалении забоя от насадки

2.3.1. Аналитическое определение коэффициента снижения осевого давления

2.3.2. Основные положения моделирования гидромониторной струи

2.3.3. Описание лабораторной установки

2.3.4. Методика и результаты измерений

Выводы по главе 2

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ САМОТЕЧНОЙ И НАПОРНОЙ ДОСТАВКИ ПУЛЬПЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА

3.1. Характеристика пульпы

3.2. Определение параметров самотечной доставки пульпы

3.3. Обоснование параметров гидроэлеваторного подъема пульпы

Выводы по главе 3

4. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКИ

4.1. Обоснование конструкции и параметров камер очистной выемки

4.2. Геомеханическое обоснование предельного пролета камеры

4.3. Определение физико-механических свойств суглинистых россыпей

4.4. Вскрытие и системы разработки

4.5. Оценка соответствия расчетной геомеханической модели условиям разработки суглинистых россыпей

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Характеристика лабораторной установки для определения силы воздействия гидромониторной струи на преграду

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Характеристика лабораторной установки для формирования напорных струй воды

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Исследование по определению коэффициента снижения осевого давления при удалении от насадки в лабораторных условиях

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-механическое обоснование параметров гидромониторной разработки россыпей направленным бурением скважин»

ВВЕДЕНИЕ

Перспективным направлением увеличения добычи золота является вовлечение в разработку глубокозалегающих участков и россыпей с ограниченными запасами методом скважинной гидравлической гидродобычи (СГД). В настоящее время скважинно-гидравлическая разработка находится в стадии опытно-промышленного освоения на титано-циркониевых россыпях и в стадии научных изысканий и обоснования для золотоносных россыпей. Большие возможности открываются при гидродобыче с горизонтально направленным бурением скважин (СГД НБ). Горизонтальное расположение скважины позволит разместить в ней гидроствол большой мощности для эффективного размыва забоя и зачистки плотика россыпи, для исключения потерь золота. Теоретическое и экспериментальное обоснование технологических параметров СГД НБ весьма актуально и имеет большое значение для золотодобывающей промышленности. Ведущими разработчиками СГД-технологий в России являются академик В. Ж. Аренс, профессор Н. И. Бабичев, В. Л. Колибаба, А. В. Панков, А. С. Хрулев, Э. И. Черней, Д. Н. Шпак. Проблемы СГД также решаются в работах Н. Г. Валиева,

B. К. Багазеева, В. П. Дробаденко, Г. А. Нурока, Н. Г. Малухина, В. Ф, Хныкина,

C. С. Шавловского и др.

Объект исследования - процессы и технология скважинно-гидравлической добычи.

Предмет исследования - закономерности размыва и устойчивости обнажений суглинистых пород.

Цель исследования - научное обоснование технологических параметров гидромониторной разработки с направленным бурением скважин на основе физико-механических свойств пород суглинистых россыпей.

Основная идея работы заключается в определении технологических параметров на основе закономерностей механики суглинистых грунтов и гидродинамики потоков воды.

Тема исследования соответствует Паспорту специальности 25.00.22:

- п. 4. Создание и научное обоснование технологии разработки природных и техногенных месторождений твердых полезных ископаемых;

- п. 9. Научное обоснование параметров горнотехнических сооружений и разработка методов их расчета.

Задачи исследования

1. Физико-механическое обоснование производительности гидромониторного размыва.

2. Определение параметров самотечной и напорной доставки пульпы, содержащей частицы золота.

3. Геомеханическое обоснование параметров очистной выемки.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовался комплекс методов:

- теоретическое обобщение и анализ скважинной гидравлической добычи;

- математическое описание технологических процессов;

- моделирование гидромониторной струи в лабораторных условиях;

- статистическая обработка результатов измерений.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Обоснование экологически безопасной технологии гидромониторной отработки труднодоступных участков россыпей с направленным бурением скважин и соответствующие аналитические зависимости производительности

гидромониторного размыва, параметров подземной очистной выемки и доставки пульпы от физико-механических свойств пород россыпи.

2. Аналитическая зависимость снижения осевого давления гидромониторной струи при удалении забоя от насадки гидромонитора.

Научная новизна результатов исследований:

- обоснован способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых с горизонтально направленным бурением;

- установлена аналитическая зависимость коэффициента снижения осевого давления гидромониторной струи на кромке преграды;

- установлена зависимость гидроэлеваторного подъема от консистенции

Ж:Т.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректной постановкой и решением задач исследований;

- представительным объемом данных, полученных лабораторным и компьютерным экспериментированием, на основе которых предложены оптимизированные значения параметров технологии;

- согласованностью полученных результатов с результатами исследований других авторов.

Практическая значимость работы заключается в разработке основных положений для расчета технологических параметров перспективного способа добычи золота из суглинистых отложений труднодоступных россыпей.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования и их решении, постановке экспериментов в лабораторных и производственных условиях, анализе полученных результатов экспериментирования и выявлении зависимостей, формулировании научных положений.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались на международных, национальных научных конференциях и конференциях УГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, 2 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, получен 1 патент.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы, включающего 87 наименований. Текст диссертации изложен на 119 страницах и содержит 27 таблиц, 28 рисунков.

Автор выражает благодарность научному руководителю и коллективу кафедры горного дела УГГУ за доброжелательное отношение и помощь при выполнении работ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СКВАЖИННО-ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ (СГД)

1.1. Общая характеристика скважинно-гидравлической добычи

1.1.1. Технологическая схема и условия применения

Метод скважинной гидродобычи полезных ископаемых широко освещен в научной и учебной литературе [1-18]. Метод основан на превращении горной массы в пульпу на месте залегания и откачке ее на поверхность через скважины (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Принципиальная технологическая схема скважинной гидродобычи: 1 - промышленный пласт; 2 - бурение скважины; 3 - добычная скважина; 4 -

напорный водовод; 5 - пульповод

Применение скважинной гидродобычи возможно на рыхлых и слабосцементированных маловалунистых россыпях с содержанием (камней крупностью более 150-200 мм) не более 1 % (с коэффициентом каменистости

Кк < 0,1). Такие россыпи по трудности разработки относятся к 1-У категориям «Единой 20-категорийной классификации» (или 1-3 категориям по классификации ЦНИГРИ-Главзолото). Скважинно-гидравлическая добыча (СГД) целесообразна на месторождениях со сложными горно-геологическими условиями, которые не могут эффективно разрабатывается традиционными способами.

Основным геотехнологическим свойством пород, которое обусловливает возможность перевода в текучее состояние, является их гидравлическая разрушаемость. Под гидравлической разрушаемостью понимается способность пород разрушаться под действием напорного потока воды. Гидравлическая разрушаемость зависит от физико-механических свойств пород: гранулометрического состава, сцепления и угла внутреннего трения, плотности, пористости, естественной влажности, пластичности и глинистого заполнителя. Физико-механические свойства определяют важнейшие параметры СГД: удельный расход, необходимый напор воды для разрушения и смыва, параметры гидротранспортирования пород, размеры камер размыва. Эти же свойства определяют в значительной степени выбор основного оборудования (насосов, гидромонитора, механизма подъёма). И, наконец, от физико-механических свойств зависят потери и разубоживание при добыче песков россыпей. Их величина определяется физико-механическими свойствами пород кровли промышленного пласта (вскрыши), устойчивостью этих пород при обнажении в процессе выемки песков. От устойчивости зависят параметры системы разработки, размеры камер очистной выемки.

Горнодобычной комплекс включает:

- станки для бурения скважин;

- оснащение скважины для подачи напорной воды и откачивания пульпы;

- гидродобычной снаряд, состоящий из оборудования размыва пород и подъема образовавшейся гидросмеси;

- оборудование обогащения песков, насосного водоснабжения и управления СГД на поверхности.

Технология СГД включает вскрытие промышленного пласта скважинами, гидравлическую отбойку и самотечный гидротранспорт пород к скважине, подъём пульпы к головному аппарату обогащения, складирование хвостов обогащения, работы по рекультивации выработанного пространства и поверхности.

1.1.2. Оборудование скважинно-гидравлической разработки

Скважины гидравлической добычи бурятся станками поискового бурения, оснащение гидродобычной скважины комплектуется в виде скважинно-добычного снаряда (СГС). СГС включает верхний оголовок I, промежуточный корпус II и нижний гидромониторный узел (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Схема СГС с выводной конструкцией гидромонитора: 1 -промышленный пласт; 2 - насадка гидроэлеватора; 3 - гидромонитор; 4 -

напорный водовод; 5 - пульповод

К настоящему времени нет специального типового комплекта гидромониторно-подъёмного узла (агрегата). Разработано несколько вариантов конструкций для опытно-промышленных работ, представляющих или совмещение гидромониторной насадки с гидроэлеватором, или раздельную комбинацию гидромониторного ствола и эрлифта. Такими агрегатами оборудованы скважинные добычные снаряды СГС-3, СГС-5, СГС-3-10 и др. (табл. 1.1) [2, 10, 23].

Таблица 1.1 - Техническая характеристика добычных снарядов

Наименование параметров СГС-3 СГС-3-10 СГС-5

1. Диаметр колонны, мм: - водоподводящей 168 73, 89, 168, 273, 377 210

- пульповодной 89 - 168

2. Диаметры насадок, мм - гидромониторной - гидроэлеваторный 9, 10, 12, 14 16, 18, 20, 22 - -

3. Напор воды, МПа 5 - 8 - 6

4. Расход воды, м /ч 150 - 200 - -

Скважинные гидромониторы по конструкции вывода в рабочее положение различают:

- встроенные, расположенные внутри СГС под углом 90° к его продольной

оси;

- выводные, закрепляемые шарниры и занимающие вертикальное положение в специальном углублении на внешней трубе СГС.

Встроенный гидромонитор в сущности представляет собой гидромониторную насадку внутри корпуса СГС (рис. 1.3 Б, В, фото 1.1). Форма насадки коноидальная со сложным профилем - коническая с плавным переходом в цилиндрическую. Угол конусной части 14-16°, внутренний диаметр цилиндрической части = 10-20 мм, длина насадки не менее /н = 2,5 ■ В насадке формируется напорная струя для размыва пород.

Выводной гидромонитор представляет стальной патрубок, имеющий внутри продольные рёбра (успокоители) для придания напорному потоку воды параллельно-струйчатое движение. Гидромониторный ствол заканчивается

насадкой = 20-40 мм. Диаметр ствола Ост = (3-5)^н, длина /ст = (5-7)Осх. Устанавливается ствол в рабочее положение за счёт реактивного воздействия струи (рис. 1.3, А).

Для подъёма пульпы с глубины до 120^150 м используются высоконапорные гидроэлеваторы. Гидроэлеватор включает (см. рис. 1.3, В) подвод напорной воды, насадку гидроэлеватора, камеру смешения, горловину, диффузор, пульповод. Подвод напорной воды к насадкам гидромонитора и гидроэлеватора производится по внешней трубе - трубе корпуса СГС. Параметры: диаметр насадки, размеры камеры смешения, горловины, пульповода -устанавливаются расчётом в зависимости от размеров корпуса, гидромонитора, объёмов подачи пульпы и напора воды.

При эрлифтном подъёме в корпусе СГС дополнительно размещается труба для подачи сжатого воздуха в пульповод (рис. 1.3, Б). Эрлифтный подъём используется при значительных глубинах нахождения промышленного пласта более 120 - 150 м, а также со дна морей и океанов. Общий вид агрегатов - на фото 1.2, А, Б.

Фото 1.1 - Общий вид агрегата со встроенным гидромонитором и

гидроэлеватором [17, 19]

Фото 1.2 - Агрегат (МГГРИ): А - гидроэлеваторного подъёма; Б - эрлифтного подъёма [10, 16]

Рисунок 1.3 - Схема добычного снаряда: А - с телескопическим гидромонитором и гидроэлеваторным подъёмом; Б - комбинация встроенного гидромонитора и эрлифта; В - комбинация встроенного гидромонитора и гидроэлеватора; 1 -буровое долото; 2 - водовод напорной воды; 3 - встроенный гидромонитор (насадки); 4 - подача напорной воды; 5 - насадка гидроэлеватора; 6 - камера смешения; 7 - пульповод; 8 - решётка гидроэлеватора; 9 - выход пульпы; 10 -подъемное устройство; 11 - промышленный пласт; 12 - пакер; 13 - выдвижной гидромонитор; 14 - подача сжатого воздуха; 15 - насадка-обтекатель гидроэлеватора; 16 - форсунка смесителя воздуха

Промежуточный корпус - эксплуатационная колонна для размещения труб пульповода, воздуховода, для подачи напорной воды.

В зависимости от устойчивости пород, залегающих над промышленным пластом, установка эксплуатационной колонны производится без крепления

В

ствола скважины или с предварительным креплением обсадными трубами. В условиях разработки рыхлых и слабосвязанных пород необходимо крепление ствола скважины до кровли промышленного пласта.

Диаметр скважины должен быть несколько больше наружного диметра муфт, соединяющих обсадные трубы в колонну. Величина зазора зависит от внешнего диаметра муфт и находится в пределах от 5-15 мм при диаметре скважины 68-114 мм до 40-50 мм при диаметре скважины более 351 мм (до 508 мм).

Диаметр промежуточного корпуса зависит от конструкции СГС и технологических параметров добычи: подачи напорной воды, диаметра пульповода, диаметра воздуховода, производительности снаряда по размыву и подъёму песков. В СГС с гидравлическим подъёмом обычно концентрическое расположение труб: по внутренней трубе осуществляется подъём пульпы (см. рис. 1.3, Б и В), по межтрубному пространству - подача напорной воды.

В эрлифтных снарядах в обсадной колонне используется как соосное, так и раздельное размещение труб для подачи воды, воздуха и подъёма пульпы (см. фото 1.2, А, Б).

Обсадные трубы соединяются между собой с помощью резьбовых (чаще) или сварных соединений. Трубы обсадные и муфты к ним изготавливаются из углеродистых и легированных сталей с наружным диаметром 114-508 мм и различной толщиной стенки. Длина труб в основном составляет 9,5-13 м.

По окончании отработки камеры и подъёма добычного снаряда проводят работы по ликвидации скважин. Ликвидация заключается в извлечении обсадных труб и заполнении ствола скважины и выработанного пространства закладочным материалом, большую часть которого составляют хвосты обогащения. Подъём обсадных труб производится лебедкой бурового агрегата, но для страгивания их с места применяются дополнительные устройства и способы. К ним относятся: взрывание ДШ (детонирующего шнура) в трубах на уровне тампонажа; применение гидравлических домкратов, вибраторов ВПФ-1 и вибромолотов С-835. В ПГО «Иркутскгеология» разработана специализированная трубоподъёмная

установка с тяговым усилием до 1000 кН при максимальном диаметре извлекаемых труб 219 мм.

Верхний оголовок СГС включает подъёмное устройство, верхнюю изогнутую часть пульповода, водовод, поворотное и уплотнительное устройства (сальниковую набивку, грундбуксу).

Наземная управляющая установка используется для вертикального перемещения и вращения гидродобычного снаряда в процессе выемки полезного ископаемого, а также в ряде случаев для монтажа и демонтажа гидродобычного снаряда в скважине. В качестве управляющей установки может быть использован буровой станок, например 1БА-15В, или специально разработанное устройство. Управляющая установка может быть самоходной, например, с ходовой базой от гусеничного крана в болотном исполнении, или перемещаться по полигону с помощью бульдозера. Монтаж и демонтаж добычного снаряда в скважине могут производиться с помощью автокрана, бурового станка или специализированной управляющей установки.

Мобильная установка скважинной гидродобычи песка обычно состоит из бурового агрегата разведочного бурения УРБ-ЗАМ или 1БА-15в, компрессоров ДК-9 или ПР-10, насосов 9МГр или 9Т с дизельными или электрическими приводами.

В состав комплекта установки входит также следующее вспомогательное оборудование: дизель-генераторные электростанции; посты сварки и резки металла; вагоны-бытовки, транспорт-трубоукладчик, автокран, гусеничный вездеход, вахтовый автобус, бортовой автомобиль, бензовоз.

1.1.3. Системы разработки

В технологии разработки месторождения выделяют три стадии: вскрытие, подготовку и очистную выемку. При СГД выработками вскрытия и подготовки служат технологические скважины.

Порядок ведения очистной выемки, увязанный в пространстве, по времени и с параметрами выемочного участка называют системой разработки. При СГД по способу и размерам участка различают сплошную и камерную выемки [1].

Сплошные системы применяются при выемке нешироких, узких участков месторождения, когда естественное поддержание кровли очистного пространства обеспечивается бортовым массивом непродуктивных отложений. При камерных системах шахтное поле отрабатывается отдельными вытянутыми участками (столбами) с оставлением целиков между столбами. Остающиеся целики составляют потери полезного ископаемого.

В пределах выемочного участка или камеры по аналогии с гидравлической разработкой открытым способом выделяют системы очистной выемки встречным, попутным и боковым (совмещенным) забоями (рис. 1.4) [1].

Рисунок 1.4 - Принципиальные технологические схемы очистной выемки

в камере:

а - попутным забоем; б - встречным забоем; в - боковым забоем; 1 - гидромонитор; 2 - гидроэлеватор; 3 - камера; Дк - радиус камеры

Рисунок 1.5 - Система скважинно-гидравлической добычи с оставлением целиков: 1, 2, 3 - скважины; 4 - целики; 5 - камера

Существенным недостатком выемки с оставлением целиков (рис. 1.5) является большие потери промышленного пласта (до 47 - 50 %). Их применение оправдано при доработке труднодоступных участков традиционной добычи. Отрабатываются богатые участки, оставляя целики на с незначительным содержанием металла. Размещение скважин по прямоугольной сетке.

Достоинством системы будет сохранение поверхности (например, в охранных зонах) и возможность размещения хвостов промывки в выработанном пространстве.

1.2. Обзор и показатели исследований скважинно - гидравлической добычи

с вертикальными скважинами

Несмотря на явные преимущества по сравнению с традиционной добычей: дешевизной, быстрым сроком окупаемости, отсутствием негативного влияния на окружающую среду, безопасностью производства [1, 6, 7] и др., СГД имеет существенные недостатки: небольшую мощность напорной струи и, соответственно, низкую производительность размыва, возможность разработки только руд малой прочности, вероятность сдвижения и оседания пород вокруг

скважины, большие потери и низкую степень извлечения полезного минерала, низкую эффективность самотечного гидротранспорта и др.

В табл. 1.2 приводятся параметры и показатели, характерные для процессов скважинно-гидравлической разработки.

Таблица 1.2 - Результаты скважинной гидродобычи на горнодобывающих предприятиях (по данным исследования МГРИ-РГГРУ) [16, 17]

Наименование объекта, цель работ Руда Глубина отработки, м Мощность пласта, м Производител ьность добычи, м3/ч

1 2 3 4 5

Прикаспийский ГМК (добыча урана) Верхнеднепровский ГМК (добыча редкометальных песков) Глины с костным детритом Пески влажные с глиной до 30 % до 95 40-50 1-1,5 10 -12 10 20-29

Томская ГРЭ (отбор технологической пробы) Пески влажные сильно каолинизирован ные 15-20 10 4-5

Томская ГРЭ (добыча титано-циркониевых песков Пески влажные сильно каолинизирован ные 35-40 10 -12 15-20

Белгородская ГРЭ (добыча) Магнетит- мартит (обводнены) до 830 до 250 20-25

Колубара (Югославия) (добыча) Песок кварцевый 20-25 15-20 50-80

Тургайская ГРЭ (опробование) Глинистая 40-50 1 -3 4-5

ГУП «Калининградский янтарный комбинат» Глинистая 16 1 -2 до 15

Месторождение «Заамарын-Эх». Монголия (проект) Золотоносные пески 20 1 -2 12

Тарская горнопромышленная компания Ильменит-титановые пески 55 5 30

В настоящее время широко развёрнуты работы по СГД циркон-титановых песков на Тарском месторождении [13, 14].

Добычной блок вскрыт технологическими скважинами с применением обсадных колонн диаметром 246 и 219 мм. Отработано шесть скважин с объёмом выемки 2500 м (5000 т рудных песков) за 80 часов работы добычного снаряда. Добыча рудных песков осуществлялась скважинным гидродобычным снарядом

-5

СГС-3 с расчётной производительностью по твердому 25-50 м /ч. Внешний диаметр става 168 мм, диаметр проходного сечения камеры смешения 5 мм, диаметр пульпоподъёмного става 108 мм. Энергетическая вода к СГС-3 подавалась дизельной насосной установкой ПНУ-200 с дизельным приводом.

-5

Средняя производительность снаряда составила 29 м /ч, однако при стабильном режиме добычи на отдельных скважинах производительность

-5

добычного снаряда достигала 40 м /ч. Объём извлекаемых песков через одну скважину составил 400-800 м3. Установлено, что продолжительность отработки не должна превышать 18-22 ч. По окончании отработки камеры и подъема добычного снаряда проводят работы по ликвидации скважин.

Опытные работы по скважинной гидродобыче касситеритовых песков из мощных многолетнемёрзлых россыпей проводились на Депутатском ГОКе (Якутия), а испытания оборудования - на прииске «Экспериментальный» и на карьере «Мамонт» Депутатского ГОКа, где касситеритовые пески откачивались эрлифтной установкой с глубины 15 м.

Проводились также опытные работы по скважинной гидродобыче золота из многолетнемёрзлых россыпей на прииске «Экспериментальный» в 1986-1991 гг. (г. Сусуман, Магаданская область). Продуктивный пласт мощностью около 1 м представлен аллювиальными отложениями из гальки и мелких валунов с частичным проникновением золота в трещиноватые коренные породы -глинистые сланцы. Глубина залегания россыпи в районе опытных участков СГД 10 и 25 м.

В ходе проведения исследований установлены следующие параметры

-5

процессов СГД. При расходе 250 м /ч и давлении воды 2 МПа дальность размыва

мерзлых песков незатопленной гидромониторной струей достигла 21,2 м при средней производительности по твердому 20-30 т/ч. Производительность по смыву разрушенных золотосодержащих крупнообломочных пород при тех же

-5

параметрах струи составила 100 м /ч, а дальность - 36 м. Зачистка с разрушением верхней золотосодержащей части сланцев для легкоразборного плотика обеспечивается на расстоянии до 26 м, для трудноразборного плотика - до 12 м.

Был разработан вариант панельной системы разработки с применением технологии выемки попутным забоем. Гидромониторные скважины располагались по углам квадрата на расстоянии 15 м друг от друга, а в центре квадрата находилась гидроэлеваторная скважина. Объём поднимаемых песков через гидроэлеваторную скважину 200-250 м3. Размыв производился скважинными секционными гидромониторами, установленными на передвижных манипуляторах с электроприводом, обеспечивающих выведение ствола гидромонитора из вертикального положения в горизонтальное, перемещение снаряда в скважине на высоту 1,5 м и его круговое вращение.

Исследований по СГД добыче из талых россыпей не проводилось.

Таким образом, широкого внедрения СГД вертикальными скважинами не получила. Неэффективны результаты СГД железорудного сырья (Белгородский ГОК КМА) [10, 19, 20]. Сравнительно удовлетворительны результаты только при СГД янтареносных россыпей и строительных материалов [16, 17]. Технологии СГД золота находятся в стадии опытно-промышленных испытаний, экспериментальных работ и научных изысканий.

Большие возможности открываются при скважинной гидродобыче золота с использованием горизонтального направленного бурения скважин (СГД НБ). Горизонтально направленное бурение позволяет разместить в забое (в скважине) гидромонитор большой мощности, увеличить производительность гидромониторного размыва пород, обеспечить размыв с зачисткой золота на плотике россыпи, исключить влияние на скважину осадки и обрушения торфов (непродуктивных отложений). При этом необходимы специальные исследования

и обоснования, кроме технологии бурения скважин, для решения следующих задач:

- определение напора и расхода воды для размыва пород, самотечного гидротранспорта и подъема пульпы;

- определение параметров очистного пространства (определение длины заходок, ширины пролета, высоты свода, очередности выемки);

- оценка устойчивости вышележащих пород.

1.3. Технологическая схема гидродобычи скважинами направленного

бурения

1.3.1. Оборудование направленного бурения

В диссертации исследуется технология скважинно-гидравлической разработки с использованием направленного бурения по патенту [21]. Принципиальная технологическая схема приведена на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 - Принципиальная технологическая схема СГД НБ: 1 - установка горизонтального направленного бурения; 2 - скважина; 3 - гидромонитор; 4 -забой; 5 - транспортный участок скважины; 6 - грунтовый насос; 7 - разрезная

траншея; 8 - пульповод

Горнодобычной комплекс включает:

- оборудование бурения: буровая установка, комплект бурового инструмента, оборудование для приготовления и подачи бурового раствора и его регенерации, контрольные локационные системы;

- оборудование размыва: гидромонитор, насос и трубы для подачи напорной

воды;

- оборудование подъема пульпы;

- обогатительную установку.

Для бурения добычных скважин принимается типовая установка горизонтально направленного бурения для прокладки трубопроводов (рис. 1.7, табл. 1.3) [22, 63].

Рисунок 1.7 - Принципиальная схема самоходной буровой установки ГНБ: 1-ходовой механизм (чаще гусеничный с кабиной оператора); 2 - буровой лафет (оснащается сменной кассетой со штангами); 3 - гидравлическая система регулировки угла бурения; 4 - приводной механизм вращательного бурения и поступательного движения; 5 - буровая колонна из инвентарных штанг; 6 -гидравлическое зажимное устройство; 7 - буровая головка; 8 - фиксирующее

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Старцев, Василий Андреевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Физико-химическая технология: учеб. для вузов / под общ. ред. В. Ж. Аренса. М.: Изд.-во МГГУ, Горная книга, 2010. 575 с.

2. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых / В. Ж. Аренс [и др.]. М.: Горная книга, 2007. 295 с.

3. Аренс В. Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. пособие. М.: Изд-во МГРИ, 2001. 656 с.

4. Аренс В. Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). М.: Недра, 1980. 279 с.

5. Бабичев Н. И. Проектирование геотехнологических комплексов (на примере технологии СГД): учеб. пособие. М.: Изд-во МГРИ, 1985. 128 с.

6. Бабичев Н. И., Николаев А. Н. Скважинная гидравлическая технология -основа высокоэкономичных малых предприятий по добыче твердых полезных ископаемых // Горный журнал. 1996. № 4. С. 5-9.

7. Тигунов Л. П., Панков А. В., Бабичев Н. И. Скважинная технология добычи в условиях рыночной экономики // Горный журнал. 1996. № 4. С. 10-12.

8. Бабичев Н. И., Николаев А. Н. Скважинная технология - новый способ освоения земных недр // Горный журнал. 1995. № 1. С. 14-18.

9. Горная энциклопедия. Т. 4. Скважинная гидродобыча. 549 с.; Скважинный гидродобычной агрегат. 553 с. М.: Советская энциклопедия, 1989.

10. Опыт скважинной гидродобычи руд на Шамраевском участке КМА / В. Ж. Аренс [и др.] // Горный журнал. 1995. № 1. С. 23-26.

11. Колибаба В. Л. Технология скважинной гидродобычи с обрушением руды и налегающих пород // Горный журнал. 1995. № 1. С. 19-22.

12. Ницевич О. А., Якушенко А. П. Опыт проведения добычных работ методом скважинной гидродобычи // ГИАБ. 2010. № 4. С. 34-42.

13. Либер Ю. В., Кройтор Р. В. Разработка циркон-титановых песков Тарского месторождения // Горный журнал. 1996. № 4. С. 12-17.

14. Тигунов Л. П., Панков А. В., Бабичев Н. И. Расширение области применения скважинной гидродобычи // Горный журнал. 1995. № 1. С. 27-29.

15. Фролов П. А., Либер Ю. В. Опытно-промышленные испытания скважинной гидротехнологии на титаноциркониевых месторождениях // Горный журнал. 1995. № 1. С. 29-31.

16. Малухин Н. Г. и др. Развитие теории и методов расчета скважинной гидротехнологии и их реализация при разработке месторождений полезных ископаемых // ГИАБ. 2008. № 12.

17. Дробаденко В. П., Малухин Н. Г., Вильмис А. Л. Проблемы и перспективы скважинной гидродобычи полезных ископаемых // Золотодобыча. 2011. № 155.

18. Хабиров В. В., Забельский В. К., Воробьев А. Е. Прогрессивная технология добычи и переработки золотосодержащего сырья / под ред. акад. Н. П. Лаврова. М.: Недра, 1984. 272 с.

19. Боярко Г. Гидродобыча из скважин // Металлы Евразии. 2004. № 1. С. 62-64.

20. Ефремов М. Скважинная гидродобыча не оправдала надежд. [Электронный ресурс] // Металлургический портал. 2005. URL: http://rusmet.ru/promnews/show/23618/skvazhinnaya gidrodobycha ne opravdala nadezhd (дата обращения: 15.12.2017).

21. Патент РФ № 2640611, МПК 21C 45/00 (2006.01), E21C 41/16 (2006.01), E21C 41/26 (2006.01) Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых / В. А. Старцев, Н. Г. Валиев, В. К. Багазеев, И. Л. Здоровец, Д. И. Симисинов. ФГБОУ ВО УГГУ. № 2016121266, заяв. 30.05.2016; опубл. 10.01.2018. Бюл. № 1.

22. Прокладка подземных инженерных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения. М.: СТОНОСТРОЙ-15-2011. 124 с.

23. Исмагилов Б. В., Хрулев А. С. Результаты испытания оборудования для скважинной гидродобычи полезных ископаемых // Проблемы геотехнологии: Труды ГИГХС. Вып. 59. М., 1982. С. 77-86.

24. Нурок Г. А. Гидромеханизация открытых разработок. М.: Недра, 1970.

584 с.

25. Лезгинцев Г. М. Гидромеханизация разработки россыпей и методы расчетов. М.: Наука. 1968. 220 с.

26. Шорохов С. М. Технология и комплексная механизация разработки россыпых месторождений. М.: Недра, 1973. 763 с.

27. Юфин П. А. Гидромеханизация. М.: Стройиздат, 1974. 233 с.

28. Шорохов С. М. Хныкин В. Ф. О нормах расхода напорной воды на гидравлических разработках // Колыма. 1958. № 4. С. 12-14.

29. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

30. Бессонов Е. А Энциклопедия гидромеханизированных работ. М., 1989, 2005. 520 с.

31 . Единые нормы выработки (времени) на разработку россыпных месторождений открытым способом (МЦМ СССР). Магадан, 1981. 300 с.

32. Нурок Г. А., Лутовинов А. Г., Шерстюков А. Д. Гидроотвалы на карьерах. М.: Недра, 1977. 312 с.

33. Наумов В. А. Особенности формирования и распределения благородных металлов в техногенных россыпях и отвалах Урала // Изв вузов. Горный журнал. 1994. № 8. С. 39-49.

34. Хныкин В. Ф. Разрушение горных пород гидромониторными струями на открытых разработках. М.: Наука, 1969. 150 с.

35. Шавловский С. С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. М.: Наука, 1979. 173 с.

36. Аленичев В. М., Куклин И. С. Руководство по определению гидравлической разрушаемости, параметров гидромониторной выемки на карьерах экспрессным методом. Свердловск: ИГД МЧМ СССР, 1966.

37. Мерзляков В. Г., Баорталовский В. Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ФГУП НИЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского, 2004. 645 с.

38. Высокий А. Г. Метод теоретического расчета производительности гидромонитора // Горный журнал. 1940. № 8. С. 27-33.

39. Березанцев В. Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1952. 120 с.

40. Багазеев В. К., Валиев Н. Г., Симисинов Д. И. Физико-механическое обоснование гидравлического разрушения пород при скважинно-гидравлической разработке // Горный журнал. 2015. № 12.

41. Багазеев В. К., Валиев Н. Г. Расчет параметров очистной выемки песков россыпей при скважинно-гидравлической добыче // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 1. С. 13-16.

42. Багазеев В. К. Расчет расхода и напора воды при гидравлической разработке россыпных месторождений // Изв. вузов. Горный журнал. 1985. № 1. С. 15-19.

43. Багазеев В. К., Никулина Л. Н. Расчет производительности размыва пород при скважинно-гидравлической добыче: мат.-лы. Междунар. науч.-промышл. симп. Екатеринбург: УГГУ, 2010. С. 190-192.

44. Теплов А. В. Основы гидравлики. Л.: Энергия, 1971. 208 с.

45. Куприн А. И. Безнапорный гидротранспорт. М.: Недра, 1980. 244 с.

46. Пособие по проектированию гидравлического транспорта (к СНИП 2.05.07-85). М.: Стройиздат, 1988. 28 с.

47. Фридман Б. Э. Разработка россыпных месторождений гидромеханизацией. М.: Металлургиздат, 1957.

48. Фридман Б. Э. Гидроэлеваторы. М.: Матгиз, 1960.

49. Каменев П. Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. М.: Машстройиздат, 1950. 346 с.

50. Мольник В. В., Федаш А. В. Аналитические исследования гидроэлеваторного подъема пульпы при скважинной гидротехнологии добычи. М.: Изд-во МГГУ.

51. Инструкция по определению геометрических параметров этажно-камерных систем разработки в Криворожском ЖРБ. Укрглавруда. Кривой Рог: НИГРИ, 1973. 44 с.

52. Методика оценки прочности и сжимаемости крупнообломочных грунтов с пылеватым и глинистым заполнителем с крупнообломочными включениями / ДальНИИС. М.: Стройиздат, 1989. 24 с.

53. Справочник по разработке россыпей / под общ. ред. В. П. Березина, В. Г. Лешкова, Л. П. Мацуева, С. В. Потемкина М.: Недра, 1973. 592 с.

54. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики: учеб. для втузов. М.: Высшая школа, 1986. 416 с.

55. Котоусов Л. С. Исследование скорости водных струй на выходе сопел с различной геометрией // Журнал технической физики. 2005. Т. 75, вып. 9. С. 8-14.

56. Сизов Г. Н. Работа затопленной гидромониторной струи. М.: Гос. изд-во водного транспорта, 1953. 168 с.

57. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Физмат, 1960.

58. Абрамович Г. Н. Турбулентные свободные струи жидкости и газа. М.: Госэнергоиздат, 1948. 288 с.

59. Милович А. Я. Основы динамики жидкости. М.: Энергоиздат, 1933. 159.

60. Цяпко И. Ф., Кривченко А. А. Совершенствование отбойки угля // Уголь. 1964. № 9. С. 14-23.

61. Кисляков В. Е., Шкаруба Н. А., Катышев П. В. Исследование интенсивности гидромониторной отбойки пород // В мире научных открытий. 2017. Т. 9, № 4. С. 230-233.

62. Цяпко Н. Ф., Чапка А. М. Гидроотбойка угля на подземных работах. М.: Госгортехиздат, 1960. 312 с.

63. Сергиенко И. А., Мосев А. Ф. и др. Бурение и оборудование геотехнологических скважин. М.: Недра, 1984.

64. Исмагилов Б. В. Методика расчета затопленной гидромониторной струей // Проблемы охраны недр, геомеханики и геотехнологии в

горнохимической промышленности. Ч. 2. Проблемы геотехнологии: труды ГИГХС. Вып. 41. М., 1977. С. 26-35.

65. Воропаев С.И. Теория автомодельного развития струи в однородной по плотности жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана 1985. Т. 21 №12. С.1290-1294

66. Исмагилов Б. В., Хрулев А. С. Исследование технологии гидравлического разрушения и доставки фосфоритовой руды в затопленной камере при скважинной гидродобыче // Проблемы геотехнологии: труды ГИГХС. Вып. 59. М., 1982. С. 64-70.

67. Багазеев В. К., Валиев Н. Г. Основы горной геомеханики: практикум для выполнения лабораторных и курсовых работ. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2017. 127 с.

68. Багазеев В. К., Старцев В. А. Физико-механическая характеристика пород россыпных месторождений: мат.-лы IV Междунар. науч.-техн. конф. «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений» в рамках «Уральской горнопромышленной декады». Екатеринбург, 2015.

69. Абрамов Г. Ю. Определение параметров встроенных гидромониторов для скважинной гидродобычи (СГД) // Совершенствование гидромеханизации и подводной добычи полезных ископаемых: тез. докл. и сообщ. Всесоюз. науч.-техн. сов. по совершенствованию гидромеханизации и подводной добычи полезных ископаемых. М., 10-12 дек. 1986. С. 114-117.

70. Мажерова Р. С. Исследование напряженного состояния массива при разработке месторождений методом скважинной гидродобычи // Проблемы геотехнологии: труды ГИГХС. Вып. 59. М., 1982. С. 86-90.

71. Шпак Д. Н. Скважинная гидродобыча раздельнозернистых полезных ископаемых при неустойчивой кровле пласта // Проблемы геотехнологии: труды ГИГХС. Вып. 59. М., 1982. С. 90-97.

72. Слесарев В. Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. М.: Углетехиздат, 1952.

73. Фисенко Г. Л. О расчете ленточных целиков методом предельного равновесия // Горный журнал. 1972. № 35.

74. Черней Э. И. и др. Моделирование процессов размыва золотосодержащих песков применительно к скважинной гидродобыче. ПТБ «Колыма», 1975. № 3. С. 7-9.

75. Багазеев В. К., Валиев Н. Г., Старцев В. А. Прогнозирование устойчивости породных обнажений при скважинно-гидравлической разработке талых россыпей: мат.-лы V Междунар. науч.-техн. конф. «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений». Екатеринбург, 2016. С. 187-191.

76. Bagazeev V. K., Valiev N. G., Starcev V. A. Justification of borehole hydraulic mining from thawed placers // Eurasian mining. № 1. 2017. P. 17-20.

77. Валиев Н. Г. Расчет распределения частиц золота по крупности на откосе намываемого массива // Изв. вузов. Горный журнал. 2002. № 6. С. 13-18.

78. Багазеев В. К. Определение распределения частиц золота на откосе гидроотвала // Изв. УГГУ. 2005. Вып. 21. С. 93-102.

79. Копылов Р. Н. Дифференциация золота в аллювиальных пластовых россыпях. Якутск: НИИПК «Сахаполиграфиздат», 2002. 144 с.

80. Цытович Н. А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1984. 288 с.

81. Багазеев В. К., Валиев Н. Г., Старцев В. А. Определение физико-механических свойств суглинистых пород россыпей // Изв. вузов. Горный журнал. 2017. № 7. С. 126-130.

82. Ржевский В. В. Физико-технические параметры горных пород. М.: наука, 1975. 212 с.

83. Морозов Ю. П. Теоретическое обоснование и разработка новых методов и аппаратов извлечения тонкодисперсных благородных металлов из руд и техногенного сырья: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Екатеринбург: УГГГА, 2001. 36 с.

84. Лященко П. В. Гравитационные методы обогащения. М.: Изд-во нефт. и горно-топл. лит., 1940. 359 с.

85. Мелентьев В. А., Колпащиков И. В., Волнин Б. А. Намывные гидротехнические сооружения. М.: Энергия, 1973.

86. Кудряшов Р. В. Развитие технологии скважинной гидродобычи глубокозалегающих месторождений при совершенствовании процесса всасывания: дис. ... канд. техн. наук. М., 2015.

87. Багазеев В. К., Валиев Н. Г., Старцев В. А. Система скважинно-гидравлической разработки талых россыпей: мат.-лы VI Междунар. науч.-техн. конф. «Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений». Екатеринбург, 2017. С. 81-87.