Скважинная гидродобыча полезных ископаемых

Скважинные Гидравлические Технологии (СГТ) – это полностью  отечественные разработки, защищённые патентами России, США, Канады и Японии, опережающие по признанию сотрудников Горного бюро США их аналогичные разработки более чем на 10 лет [8].

В целом способы СГТ  позволяют отказаться от проходки разведочных  шахт, шурфов и штолен (при разведке месторождений), от дорогостоящих вскрышных работ и сооружения шахтных стволов и т. п. (при добыче полезных ископаемых), от сооружения котлованов (в строительстве).

При оценке экономических  показателей рудников СГД следует  обратить внимание на такой важный фактор, как относительно небольшой стартовый капитал, требующийся для организации производства. Это связано с гибко-стью производства, небольшим сроком его организации. На многих месторождениях добыча полезного ископаемого практически может быть начата в течение года или даже в более короткий срок с начала работ, попутно с разведкой.

В условиях переориентации хозяйства страны на рыночные отношения, сопровождающейся спадом производства, создание относительно небольших горнодобывающих предприятий, осуществляющих разработку месторождений по новой экологически чистой технологии может оказать положительное влияние и на решение соци-альных проблем (прежде всего занятости населения).

 

4. СКВАЖИННАЯ ГИДРОДОБЫЧА НЕ ОПРАВДАЛА НАДЕЖД [9]

 

Нынешнее состояние  железорудной отрасли свидетельствует о необходимости корректировки стратегии дальнейшего освоения месторождений руды – об этом заявили ученые горной науки на прошедшей недавно в Москве серии научных симпозиумов и круглых столов, посвященных технологии добычи полезных ископаемых.

По всеобщему мнению, этого настоятельно требуют интересы как самой отрасли, стремящейся  занять лидирующие позиции в мире, так и российской металлургии. Богатые  запасы железорудного сырья (ЖРС) в  бассейне Курской магнитной аномалии (КМА) – более 30 млрд. руд, являются основной сырьевой базой для металлургической отрасли, а потому дальнейшие перспективы ее развития сегодня во многом зависят от эффективности разработки этих месторождений.

Содержание железа в  разведанных запасах руд КМА  превышает 55%, однако извлечение ЖРС пока не достигает проектных мощностей. Специалисты-горняки объясняют существующие трудности используемыми методами добычи, которыми ведутся разработки этих месторождений.

Освоение руд КМА  преимущественно ведется открытой разработкой со строительством карьера. Экономическая эффективность этой технологии доказана давно и во всем мире – стоимость открытой добычи руды в два раза дешевле, чем при подземной разработке, соответственно, в два-три раза выше и производительность труда.

Правда, разработка рудников требует больших инвестиций – срок их окупаемости составляют три-четыре года, а потому этот главный недостаток открытого метода толкает некоторых разработчиков к использованию нетрадиционных методов добычи, таких как скважинная гидродобыча (СГД).

При таком способе  железная руда добывается методом бурения  скважин, подачи в них воды под  большим давлением, вымывания содержащей руду суспензии и доставки ее на поверхность для дальнейшей обработки. В теории метод СГД выглядит как  низкозатратный – он не требует ни вскрыши, ни строительства шахт, как при подземной разработке. Сегодня способ СГД в промышленных масштабах апробирован при освоении горно-строительных пород, однако он доказал свою низкую эффективность и производительность при добыче железной руды.

Об этом свидетельствуют  весьма небольшие объемы добычи ЖРС  по технологии СГД на Гостищевском месторождении, разработку которого ведет "Белгородский ГОК" ("БелГОК"). Коэффициент извлечения запасов  здесь составляет всего 2-3 процента (при открытой и подземной разработке – 60-70), соответственно, потери в недрах доходят до 80 процентов.

Экспериментальные работы по внедрению данного метода разработчики Гостищевского месторождения начали с момента его открытия в 1953 году. Тем не менее, нынешнее руководство "Белгородского ГОКа", не беря в расчет весь предшествующий негативный опыт освоения богатых залежей рудника, решило продолжить эксперимент, по-прежнему возлагая на него большие надежды – по сметной документации, суммарная мощность трех добычных скважин должна была составить около 1 млн.т. руды в год.

В настоящее время, по оценкам рыночных аналитиков, "БелГОК" перешел в разряд фактически неликвидных  объектов с крайне невысокой капитализацией и объемами основных фондов. Такое  положение дел вызывает серьезную озабоченность кредиторов компании.

"Очевидно, –  считает  начальник горного отдела института  НИИ КМА Серго Лизерович, –   освоение ЖРС с применением  СГД оказалось непригодной". По  его словам, горняки должны делать  выбор в пользу традиционных технологий добычи. Начальник технического отдела Качканарского ГОКа Геннадий Махрин добавляет, что метод скважиной гидродобычи в настоящее время существует "лишь виртуально" и говорить о его промышленном применении не имеет смысла.

К числу явных недостатков  СГД специалисты относят образование  воронок в результате просадок подмытой кровли (такие факты, в частности, были отмечены на Тарском, Тарнобжегском  и других месторождениях), что делает невозможным проведение дальнейших работ на поверхности, а также приводит к порче скважинного оборудования.

При значительных глубинах скважин, как, например, на Гостищевском руднике, где их заявленная глубина  составляет 800-1000 м, серьезно деформируется  нижняя часть скважинного гидродобычного агрегата, а рудный материал в результате обрушения кровли серьезно обедняется из-за неуправляемого разубоживания.

Ученые и отраслевики  уверены, что время освоения ЖРС  с помощью скважинной гидродобычи  еще не пришло. Прежде всего, это  объясняется низким уровнем ее промышленной обкатки, что, в свою очередь, вызвано отсутствием серьезной научно-экспериментальной базы. Технологию СГД изобрели, а вот создать и подготовить кадровый и технический потенциал для сопровождения соответствующих работ так и не смогли. Единственный вывод, к которому пришли участники научных симпозиумов, продолжать осваивать богатые запасы КМА комбинированием традиционных способов добычи – открытой и подземной разработки.

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ [10]

 

Рабочим органом при  методе скважинной гидродобычи (СГД) является гидромониторная струя, которая  осуществляет разрушение, смыв и подъем горной массы. СГД ведется затопленной  свободной струей, когда плотность  материала струи равна плотности  среды.

Гидромониторные струи делят на три группы по давлению:

низкого – до 1 МПа;

среднего – от 1 до 4 МПа;

высокого – более 4 МПа.

Основными параметрами  гидромониторной струи являются, скорость вылета струи, расход воды и  диаметр насадки.

Нормальная нагрузка на разрушаемый слой пород определяется из выражения

 Па,

где – ускорение свободного падения, м/с²; - плотность вышележащих пород, кг/м³; - глубина залегания пласта, м.

Паровое давление

 Па,

где - плотность грунтовых вод, кг/м³.

Эффективное напряжение

 Па.

Сопротивление сдвигу водоносных пород

 Па

где - коэффициент сцепления пород, Па; - угол внутреннего трения для породы, град.

Минимальная удельная сила улара струи, достаточная для  разрушения породы:

 Па.

Давление воды на входе  в насадку

 Па,

где - давление воды, развиваемое насосом, Па; - потери напора в сети; ориентировочно Па; - плотность рабочей жидкости, кг/м³; - потери напора в гидромониторе; принимаются ориентировочно равными Па.

Начальная скорость истечения  струи

 м/с,

где - коэффициент скорости, принимается

Расход воды определяется по формуле

 м³/с,

где - коэффициент сжатия струи; принимается ; - диаметр насадки гидромонитора, м.

Коэффициент структуры  потока струи

где - опытная величина, определяемая из следующего соотношения в зависимости от значения :

 

, МПа	0,4	0,8	1,2	1,6	2,0
	1,870	1,471	1,002	0,561	0,200

 

Расстояние от насадки  до забоя, на котором возможно разрушение породы:

 м.

Производительность гидравлического  разрушения рыхлых и слабосцементированных  песков и песчаников прочностью МПа

 т/ч,

где - опытная постоянная, зависящая от диаметра насадки; для диаметров насадки 11, 15 и 23 мм принимается соответственно равной 1,2; 2,0; 4,8.

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ:

 

Рассчитать минимальную  длину струи, расход воды и производительность скважинного гидромонитора при отбойке полезного ископаемого для следующих условий:

1. Разрабатывается фосфоритная руда, представленная водонасыщен-ными песками, характеризующаяся следующими параметрами:

коэффициент сцепления  Па;

угол внутреннего трения пород ;

плотность покрывающих  пород  кг/м³;

глубина залегания пласта м;

плотность грунтовых  вод  кг/м³;

2. Давление центробежного  насоса  Па;

3. Плотность рабочей  жидкости  кг/м³;

4. Диаметр насадки  м.

 

 

 

 

 

 

 

РЕШЕНИЕ:

 

1. Нормальная нагрузка  на разрушаемый слой

Па

2. Паровое давление

Па

3. Эффективное напряжение

Па

4. Сопротивление сдвигу

Па

5. Давление воды на  входе в насадку

Па.

6. Начальная скорость  истечения струи

м/с.

7. Расход воды

м/с.

8. Коэффициент структуры  потока струи

.

 

9. Расстояние от насадки  до забоя

м.

10. Производительность  гидравлического разрушения

т/ч.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Аренс В. Ж. Бесшахтная добыча горнохимического сырья. М., 1969.
2. Аренс В. Ж. Проблемы геотехнологии. М., 1972.
3. Бабичев H. И. Tехнология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. M., 1981.
4. http://www.sphold.ru/hydro/hydro_info.html
5. http://www.dic.academic.ru
6. Бабичев H. И. Проектирование геотехнологических комплексов. M., «Недра», 1985.
7. http://www.miningexpo.ru/articles/rubric/2
8. http://www.diclib.com
9. http://www.rosinvest.com
10. Пучков Л.А., Шаровар И.И., Виткалов В.Г. Геотехнологические способы разработки пластовых месторождений. М., Высшее горное образование, 2006.