СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТВЕРДОГО ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано в горнодобывающей промышленности при добыче твердых полезных ископаемых с применением геотехнологии, повышающей эффективность традиционных способов разработки месторождений, содержащих продуктивные пласты на различных глубинах залегания.

Положительный опыт применения новой геотехнологии - метода скважинной гидродобычи (СГД) твердых полезных ископаемых (ТПИ) - в крупнообъемном геологическом опробовании в конце двадцатого века отечественными разработчиками этого метода научно-технических школ В.Ж. Аренса, Н.И. Бабичева, А.Д. Башкатова при разведке крупных глубокозалегающих месторождений стимулировал появление технических решений, основанных на комбинировании традиционных способов разработки месторождений и СГД.

В начале двадцать первого века стали известны предложения по использованию СГД в пределах одного шахтного или карьерного поля в случае отработки горизонтального пласта ТПИ, а в случае наклонного пласта ТПИ - и за пределами поля, используя наклонное и горизонтальное бурение. Известен комбинированный способ отработки месторождения (В.И. Колесников, В.И. Стрельцов. Скважинная гидродобыча железных руд. - Москва: НИА - Природа, 2005 - с.93-94). Технологическая схема разработки месторождений твердых полезных ископаемых предусматривает применение СГД из нижних горизонтов действующих шахт. Подземный способ и СГД применяется в системе с единым выработанным пространством, которое используется в обеих технологиях. Такое сочетание технологических приемов сокращает объемы горнокапитальных работ, затраты на водоотлив, эксплуатационные затраты на добычу руды.

Отработку месторождения глубокого залегания комбинированным способом проводят следующим образом. На первом этапе отработка ведется подземным способом до экономически целесообразного горизонта. Ниже действующего горизонта проводят доразведку залежей с целью оконтуривания рыхлых пород. Затем проходят выработки и камеры для бурения скважин, камеры располагают в висячем боку залежи. Из камер до нижней границы залежи рыхлых руд проходят скважины. Скважины бурят рядами в зону рыхлых руд, устанавливая оптимальные межрядные и межскважинные интервалы. Гидроразмыв массива осуществляют послойно снизу вверх.

В основу комбинированного способа положены принципы пространственно-временного сочетания подземных работ и СГД в пределах одного шахтного поля, что позволяет:

- сделать экономически выгодной разработку месторождения, отработка которого только подземным способом нецелесообразна;

- в более короткий срок, чем только при подземном способе, развить значительную производительность рудника;

- обеспечить извлечение наиболее богатой части руды на втором этапе отработки;

- в максимальной степени интенсифицировать отработку месторождения на конечной стадии освоения;

- улучшить технико-экономические показатели горнодобывающего предприятия.

Известны способ разработки наклонного пласта ТПИ методом СГД (варианты) по патенту RU 2235881 и способ СГД ТПИ из наклонного пласта (варианты) по патенту RU 2235882, комбинирующие добычу ТПИ открытым способом (карьер) из верхней части наклонного пласта и СГД ТПИ из нижней части наклонного пласта с бурением скважин с рабочей поверхности карьера по простиранию нижней части наклонного пласта.

Схожим по технической сущности с предлагаемым изобретением является способ добычи ТПИ из глубокозалегающей обводненной залежи посредством сухоройного карьера с внутренним отвалообразованием и зумпфовым водоотливом и использованием многофункциональных скважин по патенту RU 2459082, а прототипом является патент RU 2036308.

Указанная в описании изобретения последовательность операций, реализующая «Способ комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых» по патенту RU 2036308 состоит из следующих звеньев в цепи действий (фиг. 1 описания):

1) вскрытие месторождения траншеями; выполнение слоевой выемки ПИ открытыми горными работами; создание на бортах 1 карьера площадок 2 и уступов 3; ведения открытых горных работ до экономически целесообразной глубины;

2) определение под бортами 1 карьера и ниже дна 4 карьера размеров и контуров рыхлых рудных залежей 7 путем бурения разведочных скважин;

3) производство с дна 4 или борта 1 карьера горных выработок 5;

4) бурение с бортов 1 карьера или из горных выработок 5 скважин 6 до нижней границы рыхлых рудных залежей 7 и разработки этих залежей через скважины; скважины 6 бурят рядами по всему добычному участку;

5) послойная отработка ПИ снизу вверх путем поочередного использования скважин 6 для гидроразмыва с одновременным подъемом пульпы на поверхность и нагнетания воды в рудный массив;

6) укорочение обсадной колонны труб на длину добычного агрегата при переходе от одного слоя к последнему;

7) равномерная (в равных объемах из всех скважин) откачка пульпы для достижения плавного разрушения рудной и надрудной толщи.

Недостатком прототипа является возможность отработки методом СГД под дном карьера только участков рыхлых залежей ТПИ субвертикальной локализации из-за принятой схемы управления горным давлением при отработке выемочных камер посредством плавного разрушения рудной и надрудной толщи.

Поставлена задача - обеспечить экономически целесообразную добычу ТПИ из всех пластов месторождения без вскрыши межпластовых промежутков пустой породы.

Поставленная задача решается следующим образом.

По п. 1 формулы изобретения для повышения эффективности отработки месторождения ТПИ, содержащего глубокозалегающий и неглубокозалегающий пласты, разделенные толщей пустой породы, процесс отработки реализуется указанной последовательностью действий. Вначале отрабатывают открытым способом посредством сухоройного карьера неглубокозалегающий пласт ТПИ, а затем со дна карьера отрабатывают подземным способом посредством СГД глубокозалегающий пласт ТПИ с образованием поля выемочных камер в пределах контура проекции поля карьера, с последовательной закладкой породой вскрыши вырабатываемых объемов ТПИ при внутрикарьерном отвалообразовании.

Открытая добыча ТПИ в неглубокозалегающем пласте месторождения в сухоройном карьере ведется с опережением движения линии фронта забоя, образуемого рядом выемочных камер в глубокозалегающем пласте ТПИ при СГД, на упреждающее расстояние l, определяемое по формуле l=a+h/tgα, где a - ширина крайнего уступа внутрикарьерного отвала; h - высота крайнего уступа внутрикарьерного отвала; α - угол откоса крайнего уступа внутрикарьерного отвала обратно закладываемой породы вскрыши.

Подземная добыча ТПИ в глубокозалегающем пласте месторождения посредством СГД производится с закладкой породой вскрыши выработанного объема каждой выемочной камеры сразу после ее отработки.

Образуемые при СГД выемочные камеры выполняют в виде объемов цилиндрической формы с осями симметрии, совпадающими с вертикальными, пробуренными со дна карьера до подошвы глубокозалегающего пласта ТПИ, скважинами высотой, равной мощности глубокозалегающего пласта ТПИ, и диаметром, равным длине предельного устойчивого пролета толщи пустой породы, разделяющей неглубоко- и глубокозалегающие пласты ТПИ, при этом камеры располагают в шахматном порядке рядами параллельно линии фронта экскавации ТПИ из неглубокозалегающего пласта в карьере, оставляя межкамерные целики ТПИ в ряду толщиной не менее десятой части длины предельного устойчивого пролета и межрядовые целики ТПИ толщиной не менее пятой части длины предельного устойчивого пролета.

По п. 2 формулы изобретения получаемая посредством СГД пульпа, содержащая ТПИ, выдается на карту намыва на дневной поверхности вблизи карьера, а стекаемая вода канализируется в пруд-отстойник, из которого по оборотной схеме снова используется в процессе СГД.

По п. 3 формулы изобретения получаемая посредством СГД пульпа, содержащая ТПИ, подается в передвижные накопительные самосвальные емкости, установленные на дно карьера и имеющие полезный объем, равный объему кузова самосвальных автомашин, осуществляющих вывоз горной породы из карьера, при заполнении которых производится перегрузка твердой части пульпы из передвижных накопительных емкостей путем самосваливания в кузов автомашин, а стекаемая из накопительных емкостей жидкая часть пульпы направляется в сборные емкости-отстойники, из которых вода снова забирается по оборотной схеме в процесс СГД, а также для приготовления пульпы из породы вскрыши для закладки выработанных выемочных объемов камер.

По п. 4 формулы изобретения получаемая посредством СГД пульпа, содержащая ТПИ из глубокозалегающего пласта, выдается на вскрытый пласт ТПИ на дне карьера и загружается в кузов самосвальных автомашин в процессе экскавации ТПИ из неглубокозалегающего пласта, а стекаемая вода направляется в водооборотную схему процесса СГД.

По п. 5 формулы изобретения в случае заводнения сухоройного карьера выемочные камеры могут использоваться поочередно для дренирования вод и/или в качестве зумпфов при осушении дна карьера.

По п. 6 формулы изобретения если месторождение ТПИ содержит глубокозалегающий пласт, стратиграфически выполненный в виде пачки прослоев, разделенных толщами пустой горной породы, то они отрабатываются поочередно снизу вверх из общих вертикальных скважин, пробуренных со дна карьера до подошвы нижнего глубокозалегающего пласта, с закладкой породами вскрыши отработанных объемов выемочных камер в той же последовательности.

По п. 7 формулы изобретения глубокозалегающий пласт ТПИ месторождения разбуривается наклонными скважинами по контуру карьерного поля и СГД ТПИ производится из наклонных выемочных камер цилиндрической формы.

Рассмотрим более подробно сущность предлагаемого технического решения.

На фигуре представлена схема комбинированной отработки месторождения ТПИ, содержащего неглубокозалегающий и глубокозалегающий пласты, где обозначено: 1 - дневная поверхность; 2 - неотработанные породы вскрыши; 3 - неглубокозалегающий пласт ТПИ; 4 - межпластовая толща пустой горной породы; 5 - глубокозалегающий пласт ТПИ; 6 - подошва глубокозалегающего пласта ТПИ; 7 - борт сухоройного карьера; 8 - выработанный объем сухоройного карьера; 9 - внутрикарьерный отвал отработанных пород вскрыши; 10 - дно карьера; 11 - забой при экскавации ТПИ; 12 - скважины для СГД ТПИ; 13 - выемочные камеры, заложенные отработанными породами вскрыши; 14 - выработанный при СГД объем выемочной камеры; ПВК - поле выемочных камер; стрелки - направления движения линии фронта забоя при экскавации ТПИ и линии фронта забоя, образуемого рядом выемочных камер в ПВК.

Первоначально отработанные породы вскрыши 2 складируются на внешнем отвале вблизи карьера на дневной поверхности 1. После достижения неглубокозалегающего пласта ТПИ 3 производится его экскавация до дна карьера 10 при движении линии фронта забоя 11 от левого борта карьера 7 к правому на расстояние, достаточное для установки буровой установки и технологического оборудования для СГД. Затем со дна карьера 10 пробуриваются скважинами 12 межпластовая толща пустой горной породы 4 и глубокозалегающий пласт ТПИ 5 до подошвы 6, через которые поочередно, посредством СГД, вырабатываются выемочные камеры 14, закладываемые породами отработанной вскрыши 2. Закончив отработку и закладку камер 13 первого ряда ПВК, буровую установку с технологическим оборудованием для СГД перемещают на линию второго ряда камер ПВК, а на освободившемся месте организуют внутрикарьерное отвалообразование 9 с обратной закладкой выработанного объема карьера 8 от левого борта 7 к правому отработанными породами вскрыши 2.

После отработки второго и последующих рядов ПВК процедура перемещения бурового и технологического оборудования повторяется, а внутрикарьерный отвал отработанных пород вскрыши 9 формируется уступами шириной a, высотой h и устойчивым углом откоса α.

При этом для обеспечения условий комбинированной отработки месторождения, открытая добыча ТПИ в неглубокозалегающем пласте в карьере 7-11 ведется с опережением движения линии фронта забоя 11 при экскавации ТПИ по сравнению с движением линии фронта забоя, образуемого передним рядом выемочных камер 14 на ПВК в глубокозалегающем пласте 5 при СГД, на упреждающее расстояние l, определяемое по формуле l=a+h/tgα. Это позволяет всегда иметь подготовленный фронт работ для СГД и контролировать горное давление внутрикарьерного отвала пород вскрыши 9 на потолочины выемочных камер 13, увеличивая нагрузку на них только после закладки выработанных объемов камер породами вскрыши 2.

Закладка производится сразу после отработки каждой выемочной камеры 13 путем закачки грунтонасосом пульпы из пород вскрыши 2 через скважины 12 в выработанный объем камеры 14.

Для повышения коэффициента извлечения ТПИ посредством СГД из глубокозалегающего пласта 5 выемочные камеры 13 выполняют в виде объемов цилиндрической формы с осями симметрии, совпадающими с вертикальными пробуренными со дна карьера 10 до подошвы глубокозалегающего пласта ТПИ 6, скважинами 12 высотой, равной мощности пласта 5, и диаметром d, равным длине предельного устойчивого пролета L=d толщи пустой породы 4, разделяющей пласты ТПИ 3 и 5. Здесь значение L по теории В.Д. Слесарева определяется по формуле , где σ_р - предел прочности на растяжение пустой горной породы межпластовой толщи 4, кг/м²; H - мощность межпластовой толщи 4, м; γ_пр - приведенный объемный вес пустой горной породы межпластовой толщи 4, кг/м³.

Активные части горных выработок в схеме комбинированной отработки месторождения ТПИ совпадают по площади в вертикальной проекции: вырабатываемый открытым способом участок неглубокозалегающего пласта ТПИ 3 в пределах карьерного поля 10 проецируется на участок глубокозалегающего пласта ТПИ 5, вырабатываемый подземным способом СГД, в пределах поля выемочных камер ПВК. При этом выемочные камеры 13 располагают в шахматном порядке рядами параллельно линии фронта экскавации ТПИ 11 из неглубокозалегающего пласта 3 в карьере, оставляя межкамерные целики ТПИ в ряду толщиной не менее 0,1L=d и межрядовые целики ТПИ толщиной не менее 0,2L=d. Значения величин толщин межкамерных и межрядовых целиков ТПИ устанавливаются с учетом существующей погрешности определения величины длины предельного устойчивого пролета выемочной камеры L.

Добытое открытым способ ТПИ из неглубокозалегающего пласта 3 выдается на дневную поверхность 1 по одному базовому варианту, например, откаткой автомашинами с самосвальными кузовами. Добытое подземным способом ТПИ посредством СГД из глубокозалегающего пласта 5 может выдаваться на дневную поверхность 1 в вариантом исполнении.

По первому варианту получаемая посредством СГД пульпа, содержащая ТПИ из глубокозалегающего пласта 5, выдается грунтонасосом(и) на карту намыва на дневной поверхности 1 вблизи карьера 7, а стекаемая вода канализируется в пруд-отстойник, из которого по оборотной схеме забирается для использования в процессе СГД.

По второму варианту пульпа подается в передвижные самосвальные емкости, установленные на дне карьера 10 и имеющие полезный объем, равный объему кузова самосвальных автомашин, осуществляющих откатку горной породы из карьера 8, при заполнении которых производится перегрузка твердой части пульпы из передвижных накопительных емкостей путем самосваливания в кузова автомашин. При этом стекаемая из накопительных емкостей жидкая часть пульпы направляется в сборные емкости-отстойники, из которых вода снова забирается по оборотной схеме в процесс СГД. Кроме этого, отстоянная вода и/или жидкая часть пульпы используется для приготовления пульпы из пород вскрыши 2 для закладки выработанных объемов выемочных камер 13.

По третьему варианту пульпа из вырабатываемого объема 14 выемочных камер выдается по скважинам 12 на поверхность вскрытого пласта ТПИ 11 на дне карьера 10 и загружается твердая часть пульпы в кузова самосвальных автомашин в процессе экскавации ТПИ из неглубокозалегающего пласта 3, а стекаемая вода направляется в водооборотную схему процесса СГД.

В случае выпадения обильных атмосферных осадков, приводящего к заводнению сухоройного карьера 7-11, выемочные камеры 13 могут использоваться поочередно для дренирования ливневых вод и/или в качестве зумпфов при осушении дна карьера.

Если месторождение ТПИ содержит глубокозалегающий пласт 5, стратиграфически выполненный в виде пачки прослоев, разделенных толщами пустой горной породы 4, то они отрабатываются поочередно снизу вверх из общей вертикальной скважины 12, пробуренной со дна карьера 10 до подошвы нижнего глубокозалегающего пласта 6, с закладкой породами вскрыши 2 отработанных выемочных камер 13 в той же последовательности.

Для увеличения полноты извлечения балансовых запасов ТПИ отрабатываемого месторождения глубокозалегающий пласт ТПИ 5 разбуривается наклонными скважинами по контуру карьерного поля 10 и СГД ТПИ производится из наклонных выемочных камер цилиндрической формы за пределами контура поля вертикальных выемочных камер ПВК.

Возможное применение предложенного изобретения иллюстрируем примером комбинированной отработки Таловского буроугольного месторождения в Томской области РФ, планируемого к освоению на близкую перспективу.

По результатам поисково-оценочных (ГГП «Березовгеология», г. Новосибирск, 1994-1996 г.г.) и геологоразведочных (Томская геологоразведочная экспедиция, отв. исп. Прокопенко П.Н., 1997-1998 г.г.) работ установлено, что угленосные отложения Таловского месторождения приурочены к лагернотомской и кусковской свитам. Мощность угленосной пачки возрастает с запада, востока и юга к центру месторождения от 40÷60 до 90÷180 м.

Пласт 1 вскрыт в верхней части лагернотомской свиты, глубина его залегания от дневной поверхности колеблется от 0 до 90 м. Пласт 2 залегает ниже пласта 1 на 10÷30 м. Пласт 3 располагается стратиграфически ниже пласта 2 на 50÷80 м. Пласт 4 располагается ниже пласта 3 на 10÷50 м.

В структурах кусковской свиты обнаружен один пласт угля средней мощности 5,18 м, находящийся на глубине 120÷180 м от дневной поверхности.

Таким образом, горно-геологические условия месторождения могут быть охарактеризованы как трудные для отработки. Строение месторождения сложное, расположение пластов по глубине на отдельных площадях залежи неодинаковое. Пласты 1 и 2 лагернотомской свиты на отдельных участках, имея рабочую мощность в среднем 3,76 м, залегают на глубине от 10 до 51,0 м. Для таких участков целесообразно отработку вести открытым способом, как наиболее производительным и более экономичным. Для других пластов и участков данного месторождения при глубине залегания более 50 м (до 90÷120 и 180 м) открытый способ отработки, при применении технических средств существующих сегодня, невозможен.

В «Технико-экономических предложениях по разработке и комплексному использованию бурых углей Таловского месторождения». - Томск: ТомГДК, 2001 г. / Авт.: В.И. Лунев (отв. исп.), B.C. Скобельский, П.Н. Прокопенко, А.И. Усенко и др. рассматривалась принципиальная возможность применения комбинации открытых и закрытых вариантов, сочетая:

- открытый способ добычи по транспортной технологии вскрыши;

- открытый способ добычи по бестранспортной технологии вскрыши;

- закрытый способ скважинной гидродобычи (СГД);

- закрытый способ подземной газификации.

«Технико-экономическими соображениями о возможном промышленном значении Таловского месторождения угля». - Новосибирск: АООТ «СИБГИПРОШАХТ», 1997 г. / авт.: Г.П. Седов, В.И. Егорова, Н.С. Громенко и др. для отработки отрытым способом рекомендуются запасы, которые соответствуют следующим кондициям:

- минимальная мощность пласта простого строения - 2,0 м;

- для пластов сложного строения при условии, что суммарная мощность угольных пачек не менее 2,0 м, а суммарная мощность прослоев пустой горной породы не превышает 30% суммарной мощности угольных пачек;

- средняя пластовая зольность для пластов простого и сложного строения - не более 25-35%:

- предельный линейный коэффициент вскрыши - 10 м/т.

С учетом установленных ограничений можно принять: для отработки открытым способом (сухоройный карьер) неглубокозалегающий угольный пласт 1 верхней части лагернотомской свиты центрального участка мощностью от 2 до 6,9 м, залегающий на глубинах 15-40 м от дневной поверхности; для отработки закрытым способом (методом СГД) глубокозалегающие пласты - угольный пласт 2 лагернотомской свиты центрального участка средней мощностью 3,8 м, залегающий на глубинах 60-90 м от дневной поверхности, и угольный пласт кусковской свиты центрального участка средней мощностью 5,2 м, залегающий на глубинах 120-180 м от дневной поверхности. Во всех трех угольных пластах сосредоточено более 3 млрд т прогнозных ресурсов угля категории Р₁.

Система отработки традиционным открытым способом может быть бестранспортная или комбинированная - транспортно-бестранспортная, подобно используемым на месторождениях Канско-Ачинского бассейна, где условия залегания пластов аналогичны условиям Таловского месторождения. Посредством сухоройного карьера возможно добыть около 1 млрд т угля из неглубокозалегающего пласта.

Оставшиеся 2 млрд.т. угля можно добыть методом СГД из двух глубокозалегающих пластов. На территории Томской области метод СГД прошел успешную апробацию несколькими организациями: МГРИ, г. Москва; НПЦ «Геотехнологии», г. Москва; ООО «СГД», г. Москва; ТомГРЭ, г. Томск; ТомГДКруда, г. Томск; ТБНГ, г. Томск; ОАО «Томскнефть», г. Томск и др. при отборе крупнообъемных валовых проб россыпных руд с глубин более 200 м, титано-цирконовых песков и песков для отсыпки кустов нефтедобывающих скважин с глубин 20-40 м в летний и зимний сезоны.

Общая технология метода СГД в разных вариантах достаточно проработана к настоящему времени (смотри, например, «Скважинная гидродобыча полезных ископаемых» / Авт. В.Ж. Аренс, Н.И. Бабичев, А.Д. Башкатов, О.М. Гридин, А.С. Хрулев, Г.Х. Хчеян. - М.: Изд. «Горная книга», 2007 г.).

Адаптированные к условиям залегания месторождений ТПИ в Томской области варианты СГД изложены в материалах Отчета о проведении опытно-методических работ (ОМР СГД - 2008) в рамках Государственного контракта от 04.04.2006 г. № ТВ-04-04-2006 «Оценка Бакчарского железорудного проявления для отработки методом СГД» на лицензионном участке ООО «НПО «ТомГДКруда» Западной площади Бакчарского проявления в районе геолого-поисковой скважины 101, с. Бакчар, Томская область / Авт.: В.И. Лунев (отв. исп.), А.И. Усенко, И.Б. Бондарчук, В.М. Иванов, П.Н. Прокопенко. - с. Бакчар - г. Томск: ТомГДКруда, 2008 г.

Таким образом, технический эффект от использования предложенного изобретения сводится к повышению эффективности отработки месторождения ТПИ за счет привлечения в объем извлекаемых запасов ТПИ из глубокозалегающих пластов, при этом коэффициент извлечения ТПИ из глубокозалегающего(их) пласта(ов) близок к коэффициенту извлечения ТПИ из неглубокозалегающего(их) пласта(ов), а затраты на бурение скважин для СГД сокращаются на 25-35% за счет их забуривания со дна сухоройного карьера.