ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СКВАЖИННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Экономические науки / 9. Экономика промышленности

Д.э.н., академик Каренов Р.С.

Карагандинский государственный университет имени академика Е.А. Букетова, Казахстан

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СКВАЖИННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Несмотря на определенные успехи отечественной горной промышленности, по двум важнейшим показателям Республика Казахстан прогрессивно отстает от развитых зарубежных государств – по уровню производительности труда и потреблению минерального сырья на душу населения. Как следствие, в последние годы наблюдается уменьшение обеспеченности сырьем ряда горнодобывающих и металлургических предприятий страны. Усиливаются диспропорции в размещении минерально-сырьевых баз добывающих и перерабатывающих предприятий. Выход из сложившейся ситуации видится в рачительном использовании собственных природных ресурсов и в активном использовании новейших достижений науки и техники, спектр которых широк как у нас, так и за рубежом. Особенно решение всех вышеуказанных проблем может быть найдено за счет широкого внедрения новых, так называемых инновационных технологий, малокапиталоемких, быстроосваиваемых, дающих высокий экономический эффект. К таким технологиям относится скважинная гидродобыча.

Сущность скважинной гидродобычи (СГД) полезных ископаемых (возможны варианты с поверхности или из подземных выработок) - метод разработки месторождений, при котором перевод твердого полезного ископаемого в подвижное состояние гидродинамическим воздействием и выдача его на поверхность в виде гидросмеси осуществляются через скважины [1,С.16].

Основными объектами рудника СГД являются: буровые скважины, насосная станция подачи воды, компрессорная станция подачи сжатого воздуха, трубопроводы воды и воздуха, отделение обезвоживания и складирования руды, система оборотного водоснабжения [2,С.20].

Буровые скважины при СГД по своему назначению подразделяются на добычные и нагнетательные. Конструкционной особенностью скважин является наличие двух гидравлических каналов, связывающих земную поверхность с призабойной зоной. Это достигается концентричным расположением двух колонн труб — внешней и внутренней. Образующийся при этом кольцевой зазор используется в качестве пульповода, а внутренняя труба — в качестве водовода. В покрывающих породах, в зонах, находящихся между рыхлыми и плотными рудами, производят обсадку скважины и цементацию затрубного пространства для локализации зон очистных работ и исключения перетока вод различных горизонтов по затрубному пространству. Внутренняя колонна труб завершается гидродобычным агрегатом, который выходит в зону очистного пространства на 3-4 м. Наряду с добычными, часть скважин используется в качестве нагнетательных, через которые в рудный массив подается вода. Это обеспечивает создание в рудном массиве градиента давления в направлении добычных скважин и поступление к ним рыхлого рудного материала. Доля нагнетательных скважин составляет не менее половины общего количества скважин. С целью оптимизации режима гидродобычи скважины используются поочередно в качестве добычных и нагнетательных.

Производительность одной добычной скважины в зависимости от диаметра (219-370 мм) составляет 200-400 тыс. т руды в год.

Расстояние между скважинами принимается от 50 до 100 м. Общее количество скважин предприятия СГД определяется площадью добычного поля и принятой сетью расположения скважин.

Расход воды и воздуха, нагнетаемых в добычные скважины под давлением 20 МПа, составляет соответственно 5-10 и 15-30 м на 1 т руды [2,С.20].

В насосной и компрессорной станциях устанавливается высоконапорное оборудование, исходя из необходимой производительности по воде и сжатому воздуху. Подача воды и воздуха к скважинам осуществляется по стальным трубопроводам, обвязанным высоконапорной стальной арматурой. Подаваемую из скважин пульпу подвергают сгущению и обезвоживанию, товарную руду складируют для отправки потребителям, а осветленную воду с помощью перекачной насосной станции подают в емкости оборотного водоснабжения для повторного использования в процессе СГД.

Разработка месторождений методом СГД ведется в сложных геомеханических условиях, выдвигающих весьма трудные задачи по определению и оценке напряженно-деформационного состояния массива горных пород, управлению горным давлением.

К основным операциям, составляющим сущность метода СГД, относят:

- бурение скважин и установку в них скважинных снарядов со струеформирующим и выдачным устройствами;

- подачу напорной воды и разрушение горных пород и руд;

- транспортировку разрушенного материала к выданному устройству и выдачу его на поверхность;

- управление горным давлением;

- при проходке вертикальных коллекторов - заполнение проницаемым материалом;

- при возведении фундаментов и конструкций в грунте - заполнение очистного пространства непроницаемым материалом на основе цемента, синтетических смол или других связующих материалов.

Способы осуществления указанных выше операций, основные определяющие их параметры и факторы, влияющие на них, отражены в табл.1.

Особенности способа СГД показывают, что возможность и эффективность его применения определяются широким комплексом факторов, характеризующих геологическое строение месторождения, его инженерно-геологические и гидрогеологические условия, а также экономико-географические особенности территории его расположения.

Таблица 1

Пооперационная структура скважинной гидродобычи полезного ископаемого

Технологическая операция	Способ осуществления	Факторы
Технологическая операция	Способ осуществления	Физико-геологические	Технические и технологические
Вскрытие залежи	Бурение вертикальных, наклонных и наклонно-горизонтальных скважин, оборудование их обсадными трубами	Физико-механические свойства пород месторождения и покрывающих горизонтов, глубина залегания, форма и наклон залежи, наличие водоносных горизонтов	Диаметр добычного оборудования, система отработки месторождения, имеющееся буровое оборудование
Подготовка залежи	Воздействие на физико-механические свойства залежи и вмещающие породы взрывным, химическим, импульсным и др. способами	Физико-механические, гидрогеологические свойства пород, а также минералогический и химический состав пород	Тип добычного оборудования, параметры насосного и компрессорного хозяйства
Подготовка к очистным работам	Обустройство поверхностным и скважинным добычным оборудованием	-	Принятые проектные решения
Разрушение	Размыв струей воды, фильтрационное и др. способы разрушения горных пород	Крепость полезного ископаемого, устойчивость кровли и другие физико-механические характеристики полезного ископаемого, мощность пласта, глубина залегания	Порядок и скорость отработки камеры, давление и расход воды, расстояние насадки до забоя
Доставка	Самотечная Струей	Гранулометрический состав, плотность, форма частиц, Те же	Порядок отработки камеры, наклон почвы забоя, расстояние доставки, давление и расход воды Технология размыва и доставки, длина ствола гидромонитора
Подъем	Эрлифтный Гидроэлеваторный, гидроэрлифтный Противодавлением	Те же и абразивность Те же Те же	Регулируемость подачи руды, удаление крупных кусков, высота подъема, диаметр труб, давление и расход воздуха. Те же и давление, и расход воды. Конструктивные параметры гидроэлеватора. Высота подъема, герметичность
Гидротранспорт	Самотечный Трубопроводный	Гранулометрический состав, плотность, форма частиц. Те же и абразивность	Расход, уклон. Размеры лотка и его характеристика. Расход, плотность пульпы. Диаметр и характеристика трубопровода землесоса, расстояние транспортирования
Укладка полезного ископаемого на карте намыва	Гидравлическая	Гранулометрический состав, плотность, водоотдача, рельеф местности	Способы заполнения карты и удаления воды из отвала Расход и плотность пульпы
Управление горным давлением	Оставлением целиков Противодавлением Закладкой Обрушением	Устойчивость целиков и потолочин, система разработки Физико-механические и фильтрационные свойства полезного ископаемого и пород кровли. Устойчивость кровли Физико-механические свойства пород кровли	Порядок отработки. Размер камер и целиков Давление воды в камере Размеры камеры, технология и полнота закладки. Порядок выемки запасов
Примечание – данные работы [1, С.17]

Среди этих факторов можно выделить две группы. Первая группа факторов определяет саму возможность применения способа СГД для отработки месторождения. Наиболее важным из них является наличие относительно низкой прочности, способных переходить в подвижное состояние под действием агентов СГД. Кроме того, необходимо наличие водных ресурсов, достаточных для обеспечения технологии СГД. Вторая группа факторов определяет систему отработки, технологические и технико-экономические показатели процесса гидродобычи.

Существенно влияют на параметры технологии СГД мощность и прочность покрывающих пород. Мощные, монолитные, прочные породы кровли могут обеспечить наибольшее извлечение и незначительное разубоживание, и наоборот, при неустойчивых покрывающих породах усложняется добыча и увеличиваются потери и разубоживание.

Характеристиками месторождения при выборе параметров разработки, кроме физико-механических свойств полезного ископаемого и вмещающих пород, являются угол падения и мощность пласта, мощность покрывающих пород, гидрогеологические условия. От них зависят важнейшие параметры СГД: удельный расход и потребный напор воды для разрушения и смыва, параметры гидротранспортирования пород, размеры карты намыва, а, следовательно, и параметры основного оборудования (насосов, гидромонитора, выдачного механизма) [1,С.17].

Глубина залегания, кроме того, определяет конструкцию добычного оборудования и влияет на экономическую эффективность метода. С увеличением глубины залегания себестоимость добычи методом СГД увеличивается медленно. Это позволяет эффективно отрабатывать полезные ископаемые, залегающие на большой глубине или под водоемами, разработка которых традиционными способами или невыгодна, или вообще невозможна.

По данным исследования [3,С.7], принято различать три основные технологические схемы скважинной гидродобычи полезных ископаемых. При этом для каждой технологической схемы характерны специфичные оборудование и технология, а также определенная область применения в зависимости от горно-геологических факторов (табл.2).

1. Схема с отбойкой руды в осушенном очистном пространстве позволяет разрабатывать руды значительной крепости, осуществлять эффективную доставку отбитой горной массы от забоя до всаса выдачного устройства, относительно легко управлять очистными работами и горным давлением. Эта схема также характеризуется относительно небольшим уровнем потерь и разубоживания и простотой применяемого оборудования. В ней обычно применяются гидромониторы с коротким стволом различных конструкций, как встроенные в нижний оголовок, так и выдвижные; в качестве выдачного устройства обычно используется гидроэлеватор, позволяющий осушать забой, иногда в комбинации с эрлифтом. К недостаткам схемы можно отнести относительно высокую энергоемкость гидроподъема при условии осушения этим же агрегатом очистной камеры, что особенно проявляется с увеличением глубины разработки и водопритоков.

2. Схема с отбойкой руды в затопленном очистном пространстве позволяет вести отработку несвязных рудных тел в условиях больших водопритоков, а также под водоемами и на шельфе Мирового океана. Она характеризуется благоприятными условиями для работы выдачных устройств, в качестве которых могут быть использованы эрлифты и гидроэлеваторы, и может быть применена для разработки на больших глубинах. Однако в связи с быстрым гашением энергии струи в условиях затопленного забоя затруднена отбойка крепких связных пород и требуется применение мониторов шланговых или телескопических, удлиняющихся по мере продвижения забоя, что усложняет конструкцию добычного агрегата, требует создания специальных сложных систем для контроля положения и управления гидромонитором.

Таблица 2

Особенности различных технологических схем скважинной гидродобычи полезных ископаемых

Схема	Условия применения	Технологические операции и применяемое оборудование	Рекомендуемые системы разработки
С отбойкой руды в осушенном очистном пространстве свободными незатопленными струями	Водопритоки небольшие или полностью отсутствуют, при больших водопритоках отжим воды сжатым воздухом. Руды несвязные и связные (песчано-глинистые отложения, песчаники, известняки, угли). Вмещающие породы: устойчивые, позволяющие создавать кратковременные обнажения кровли	Разрушение: гидромониторы с короткими стволами встроенные: неподвижные, выдвижные, выводные, с автоматическим выводом, с механическим или гидравлическим приводом. Доставка: самотечная, принудительная с использованием энергии струи, принудительная с использованием механических устройств. Выдача на поверхность: гидроэлеваторы, при большой глубине комбинация гидроэлеватор и эрлифт	С открытым очистным пространством; с закладкой очистного пространства; с креплением очистного пространства; с креплением и закладкой очистного пространства
С отбойкой руды в затопленном очистном пространстве свободными затопленными струями	Водопритоки большие, возможна разработка погребенных россыпей под дном морей и океанов. Руды несвязные и слабосвязные. Вмещающие породы устойчивые, позволяющие создавать кратковременные обнажения кровли	Разрушение: выдвижные и выводные мониторы: телескопические, шланговые, со сменными стволами, удлиняющимися по мере отработки забоя. Доставка: принудительная с использованием энергии струи и механических устройств; самотечная при большой мощности рудных тел или больших углах уклона почвы. Выдача на поверхность: эрлифты, гидроэлеваторы, за счет гидростатического давления в камере	С открытым очистным пространством; с креплением очистного пространства
С использованием плывунных свойств руд	Водопритоки любые. Руды несвязные, легко дезинтегрируемые. Вмещающие породы неустойчивые	Разрушение: короткие, встроенные гидромониторы, создание различного гидравлического градиента в различных частях пласта. Доставка: самотечная. Выдача на поверхность: эрлифты, гидроэлеваторы, за счет гидростатического давления	С обрушением руды и вмещающих пород (как с самообрушением, так и с принудительным обрушением)
Примечание – данные работы [3,С.7]

При этом ограничивается также объем отработки на одну скважину из условия достаточной устойчивости пород кровли, так как при обрушении вышележащих пород выдвинутый удлиненный гидромонитор трудно или невозможно извлечь. При этом затруднена доставка отбитой горной массы до выдачного устройства и относительно велик уровень потерь. При применении гибких шланговых гидромониторов также затруднено управление очистными работами. Все это ограничивает область применения этой технологической схемы.

3. Схема с использованием плывунных свойств пород, а также с превращением руд в псевдоплывунное (подвижное) состояние за счет нижней подсечки и использования сил горного давления для разрушения рудного массива, эффективно применяется при большой мощности залежи или благоприятной складчатой структуре.

Выбор технических средств скважинной гидравлической технологии (СГТ) зависит, прежде всего, от конечной цели (разведка, добыча, строительство), а также от горно-геологических условий месторождения, которые обусловливают последовательность ведения технологических операций и параметры технических средств.

Литература:

1. Аренс В.Ж., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля // Уголь. – 1996. - №3. – С. 16 – 18.

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

3. 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.