CC BY
1
УДК 622.2
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ В РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ природных песков
В.П. Сафронов, И.Ю. Михеев
Открываемые месторождения природных песков, оцениваемые по горногеологическим условиям залегания, носят признаки непривлекательности для инвестиций по эксплуатационному коэффициенту вскрыши, который устанавливается в соответствии с классификацией технологических систем открытой разработки. Перспективной технологией является скважинная гидродобыча. Для ее совершенствования выполнены синтез графических моделей заложения скважин в геологическом массиве и порядок их погашения. Установлено, что перспективными являются схемы маятниковая и тупиковая, которые позволяют сократить объем вскрышных работ в карьере и снизить эксплуатационный коэффициент вскрыши.
Ключевые слова: месторождения природных песков, классификация технологических систем, скважинный способ добычи, графическое моделирование, маятниковая схема, тупиковая схема, землеемкость.
Среди твердых полезных ископаемых немалая роль в хозяйственной деятельности человека отводится природным пескам. Данное полезное ископаемое занимает первое место в мире по применению среди нерудных полезных ископаемых (рис.1).
риме нениеЧ_
песков у
Рис. 1. Область применения песков в хозяйственной деятельности
человека
Возросшие объемы строительства и капитальных ремонтов различных объектов в регионах РФ диктуют увеличение спроса на природные
пески. Удовлетворить рынок по пескам возможно за счет повышения производительности действующих карьеров, ввода в эксплуатацию забалансовых запасов месторождений песка или геологоразведочных работ по установке новых месторождений с балансовыми запасами. Для повышения производительности песчаных карьеров, ввода в эксплуатацию дополнительных балансовых запасов месторождений, безусловно, требуется внесе-нея изменений в проектные технологические решения и в лицензионные условия по эксплуатации недр. Существенные изменения повлекут дополнительные капитальные затраты. Что касается новых разведанных месторождений песков, оцениваемых по горно-геологическим условиям залегания, то они носят признаки непривлекательности для инвестиций по эксплуатационному коэффициенту вскрыши, т.е. запасы месторождений песков по факту являются забалансовыми по эксплуатационному коэффициенту вскрыши. Эксплуатационный коэффициент вскрыши устанавливается в соответствии с классификацией технологических систем разработки месторождений открытым способом, которая уже устарела и не отвечает требованиям рыночной экономики XXI века. Безусловно, с появлением новых технологических систем разработки месторождений песков появится возможность ввода этих месторождений в эксплуатацию. Откуда следует, что тема создания новых технологий, позволяющих переводить забалансовые (потенциально экономические) запасы природных песков в балансовые (экономические) запасы, остается на сегодняшний момент актуальной темой [11].
Оценивая уровень достижения в области геотехнологий разработки запасов месторождений твердых полезных ископаемых, установлено, что горному инженеру известны следующие способы добычи полезных ископаемых: открытый, подземный, комбинированный (открыто-подземный) и специальный скважинный. Под разработкой месторождения понимается совокупность технологических операций: выемочно-погрузочные; перемещение породной массы транспортом; отвалообразование и складирование добытого полезного ископаемого. Под технологической системой разработки понимается определенный порядок и последовательность выполнения горных работ в пределах месторождения или его участка [3].
Технологические системы того или иного способа отображаются в графических моделях разного масштабного уровня, позволяющих увидеть классификационные признаки и сформировать классификации систем разработки месторождений полезных ископаемых. Так, в теории открытой разработки запасов месторождений получили признание классификации, предложенные Е.Ф. Шешко, Н.Р. Мельниковым, А.И. Арсентьевым, В.В. Ржевским. В основу их классификаций заложены такие классификационные признаки, как направление подвигания забоев, взаимное расположение капитальных и разрезных траншей, способ механизации вскрышных и добычных работ, порядок по отвалообразованию вскрышных пород, вид
транспорта для перемещения горной массы, способ механизации вскрышных и добычных работ.
Технологические системы открытых горных работ в классификациях представлены как многоуровневые системы, рядополагаемые с геологической системой. Процессы в технологических схемах описываются параметрами, которым присваиваются цифровые значения. Оптимизация цифровых значений параметров, описывающих процессы в технологических схемах, позволяет получить оптимальное технологическое решение, принимаемое в проекте карьера. Поэтому, вне всяких сомнений, классификации позволяют при проектировании карьера не только обоснованно выбрать систему разработки месторождения, рассчитать значения параметров элементов системы, но и «подсказать» инженеру новое видение технико-технологического решения.
Наиболее обобщающей классификацией систем разработки является классификация В.В. Ржевского, которая построена на геометрии тела залежи месторождения в недрах Земли и направлениях ее разработки. Классификация В.В. Ржевского ограничивается смешанными группами классических систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых (рудных, нерудных, энергетических) (табл. 1) [3].
Таблица 1
Классификация систем разработки В.В. Ржевского_
Индекс группы Группа Индекс подгруппы Подгруппа Индекс системы Система разработки
С Сплошные СД Сплошные продольные СДО Сплошная продольная од-нобортовая
СДД Сплошная продольная двухбортовая
СП Сплошные поперечные СПО Сплошная поперечная од-нобортовая
СПД Сплошная поперечная двухбортовая
СВ Сплошные веерные СВЦ Сплошная веерная центральная
СВР Сплошная веерная рассредоточенная
СК Сплошные кольцевые СКЦ Сплошная кольцевая центральная
СКП Сплошная кольцевая периферийная
У Углубочные УД Углубочные продольные УДО Углубочная продольная однобортовая
УДД Углубочная продольная двухбортовая
УП Углубочные поперечные УПО Углубочная поперечная однобортовая
УПД Углубочная поперечная двухбортовая
УВ Углубочные веерные УВР Углубочная веерная рассредоточенная
УК Углубочные кольцевые УКЦ Углубочная кольцевая центральная
Окончание табл. 1
Смешанные
УС (углубочно- - То же, в различных сочетаниях
сплошные)
В классификации отсутствует скважинный способ добычи твердых полезных ископаемых, так как на период времени создания классификаций систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых скважинный способ только зарождался. На современном этапе развития горнодобывающей отрасли появились и совершенствуются новые способы добычи полезных ископаемых, к которым относится скважинная гидродобыча природных песков (табл. 2). [6]
Таблица 2
Способы добычи полезных ископаемых с применением скважин
Способ Объект промышленного освоения Объект промышленных и опытных исследований, разработки, предложения и патенты
Подземное растворение Месторождения каменной соли, калийных солей Месторождения бишофита, соды, глауберовой соли
Подземное выщелачивание Зона окисления сульфидных месторождений меди и никеля. Уран ин-фильтрационных и осадочно-инфильтрационных месторождений, а также забалансовые участки эндогенных месторождений Месторождения марганца, сульфидные месторождения меди, свинца, цинка и никеля, золота, титана, известняка. Осадочные бурожелезня-ковые месторождения
Подземная выплавка Месторождения самородной серы Сера в непроницаемых рудах, битум и тяжелая нефть. Озокерит, сера вулканогенных месторождений, асфальтит, металлы
Подземная ги-зификация Месторождения каменного и бурого угля Осушенные месторождения серы. Известняк, месторождения горючих сланцев, руд, содержащих мышьяк и ртуть
Скважинная гидродобыча Месторождения фосфоритов, строительных песков Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий. Титан, золото и алмазы, касситерит в погребенных россыпях, желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, железо и т.д.
Добыча полезных ископаемых из подземных вод Месторождения йодобромистых вод, содержащих бор, уран, стронций Сточные воды шахт, рудников и нефтепромыслов
Извлечение и использование тепла Земли Природные парогидротермы Тепло сухих горных пород
Технология скважинной гидродобычи основана на процессах по трансформации горной породы из начального агрегатного состояния в по-
движное состояние (пульпу) с помощью воды (энергоносителя) [7]. Для доставки энергоносителя и обеспечения выдачи продукта из недр Земли на поверхность бурят скважины необходимой глубины и диаметра. Для реализации этого способа применяется оборудование гидромеханизации. Поэтому этот способ назван «скважинная гидромеханизированная добыча»
Многие авторы работ этой тематики выделяют СГД в особый способ добычи полезных ископаемых и рекомендуют его рассматривать в рамках классификаций способов отдельно от классических способов добычи твердых полезных ископаемых [2]. В основу СГД песков положена технологическая схема, представленная на рис. 2 [1, 10].
Добычной снаряд состоит из двух телескопически расположенных труб с находящимися в нижней части гидромониторным и пульпоподъем-ными узлами. Снаряд (гидромонитор) осуществляет подачу на забой скважины струи воды (жидкости) высокого давления и подъем (гидроэлеватором или эрлифтом) пульпы на поверхность. Управление процессом добычи осуществляется с поверхности путем изменения расхода и давления воды, а также выбором направления организации забоя и режима откачки пульпы на дневную поверхность, где располагаются пруды отстойники и осветлители рабочего агента [9].
Рис. 2. Скважинная гидродобычи: 1 - добычная камера; 2 - подача сжатого воздуха; 3 - пульповод; 4 - гидросмесь; 5 - водовод; 6 - насадка для гидромонитора; 7 - гидроэлеватор
Область применения способа СГД, как и классических способов разработки месторождений, определяется горно-геологическими и гидрогеологическими условиями залегания песков, их физическими свойствами и свойствами пород их вмещающих [1]. Он позволяет разрабатывать запасы песка, глубокозалегающие в недрах, которые классическими способами практически невозможно разработать. СГД по техническому оснащению включает серийно выпускаемое отечественными заводами технологическое оборудование: буровые станки, насосы, компрессоры. На базе такого оборудования созданы и действуют мобильные автономные добычные
(СГД).
комплексы, которые ведут добычу песков с глубоких горизонтов с высоким уровнем автоматизации производственных процессов [1].
На основе результатов аналитических исследований СГД создана теоретическая модель классификации систем СГД. Пространственная ориентация скважин в геологическом массиве горных пород, их взаимное расположение и порядок отработки скважинами запасов положены в основу классификации систем СГД. Ось скважины можно располагать в горизонтальной, вертикальной плоскости или произвольно ориентированной. Скважины в горизонтальных плоскостях могут быть заложены без перекрытия (БП) или с перекрытием (СП) (табл. 3). По первому варианту отработка запасов и погашение скважин ведется от центра к периферии или от периферии к центру. По второму варианту отработка запасов ведется при восходящем поперечном погашении добычных скважин или при нисходящем продольном погашении добычных скважин. По третьему варианту отработка запасов и погашение скважин ведется по нисходящей или восходящей диагональной схеме.
Графические модели веерного расположения скважин и последовательность их отработки с извлечением запасов песков представлены в табл.4.
При расположении скважин в вертикальных плоскостях применяется линейная (ЛС) или кольцевая (КС) схема погашения скважин при извлечении запасов. Возможно применение кустовых скважин (табл. 5).
Таблица 3
Графические модели последовательности заложения и погашения _горизонтальных скважин_
Графические модели расположения горизонтальных скважин
Без перекрытия (БП)
С перекрытием (СП)
1
2
Схема заложения скважин от периферии к центру
Схема заложения скважин от периферии к центру
Схема заложения скважин от центра к периферии
Схема заложения скважин от центра к периферии
Схема заложения скважин от периферии к центру
Схема заложения скважин от периферии к центру
Окончание табл. 3
1
2
Схема заложения скважин от центра к периферии
Схема заложения скважин от центра к периферии
Схема при восходящем поперечном погашении добычных скважин
Схема при нисходящем поперечном погашении добычных скважин
Схема при нисходящем продольном погашении добычных скважин (вариант 1)
Схема при нисходящем продольном погашении добычных скважин (вариант 1)
Схема при нисходящем продольном погашении добычных скважин (вариант 2)
Схема при нисходящем продольном погашении добычных скважин (вариант 2)
Схема при нисходящем диагональном погашении добычных скважин
Схема при нисходящем диагональном погашении добычных скважин
Таблица 4
Графические модели веерного расположения скважин в горизонтальной или вертикальной плоскости и порядок _их отработки_
Графические модели веерного расположения скважин в горизонтальной или вертикальной плоскости
1
2
В горизонтальной плоскости (ГП) Схема направлений отработки скважин и последовательность их погашения
В вертикальной плоскости (ВП)
Окончание табл. 4
_1__2_
Схема направлений отработки скважин Схема направлений отработки скважин
и последовательность их погашения и последовательность их погашения
Схема направлений отработки скважин Схема направлений отработки скважин
и последовательность их погашения и последовательность их погашения
Таблица 5
Графические модели расположения скважин в вертикальных плоскостях и последовательность их погашения
Графические модели расположения скважин в вертикальных плоскостях
Линейная схема (ЛС)
Кольцевая схема (КС)
1
2
Схема направлений отработки скважин и последовательность их погашения
Схема направлений отработки скважин и последовательность их погашения
Схема направлений отработки скважин и последовательность их погашения
Схема направлений отработки скважин и последовательность их погашения
Окончание табл. 5
Теоретическая модель классификации систем СГД позволила выбрать технологическую схему разработки месторождения песков для опытно-промышленной апробации технологии (рис. 3).
Рис. 3. Технологическая схема применения СГД в условиях
действующего карьера
Такая технологическая схема СГД выполнима в условиях действующего песчаного карьера, выполняющего роль полигона испытаний. Сущность технологии заключается в проходке из центра выработанного пространства карьера до границ горного отвода разрезных траншей с попутным извлечением полезного ископаемого. Для перемещения пульпы предусматривается уклон по дну траншеи в сторону сборочного котлована. В сборочном котловане устанавливается грунтонасос для подачи пульпы из карьера в пруд отстойник. В траншеях размещается буровое оборудование и оборудование для гидромеханизации. Полигон позволяет выполнить опытно-промышленную проверку технологичности схем, представленных в табл. 3, 4 и 5. По результатам экспериментальных работ появляется возможность разработать рекомендации по промышленному применению конкретной технологии СГД.
Рис. 4. Результат блочной отработки песков с применением СГД
в условиях карьера
Основные параметры, характеризующие технологическую схему подготовки выемочного блока к выемке: сг - угол сопряжения скважин, град.; I —длина скважины, м; (1 - диаметр скважины; т - мощность залежи, м; а - шаг закладки скважин по функциональному назначению, м. Значе-
/
\
Б-В
ния параметров СГД принимаются в зависимости от системы факторов: гидрогеологических, гидрологических, физико-химических и технико-экономических, которые влияют на выбор технологической схемы. Так, например, в зависимости от ситуации, возможно применение следующих схем:
1- маятниковая схема, когда разгрузка пульпы производится на две фланговые траншеи (рис. 5);
2- тупиковая схема, когда погашение скважины и разгрузка пульпы производится только в одну траншею (рис. 6).
дно траншеи
1111 1 1111 1111 1 1111 1111 1 1111 И 1 1 1 1 1 1
<2> Ча^
И / ® чх ® / ® Ч\ -ш-7
о 1Л ч ч / \ ч а х О \
' 11 1 1111 1111 1 1111 1111 1 м 1111 1 1111
Рис. 5. Маятниковая схема. Разгрузка пульпы производится на две
фланговые траншеи
Граница горного отвода
Рис. 6. Тупиковая схема. Погашение скважины и разгрузка пульпы производится только в одну траншею
Достоинства предлагаемой СГД природных песков с применением маятниковой и тупиковых технологических схем: сокращение объема вскрышных работ;
возможность в реализации управления качеством продукции в забое;
снижение эксплуатационного коэффициента вскрыши; управляемость землеемкостью добычи единицы объема полезного ископаемого;
отработка забалансовых запасов без увеличения удельной землеем-
кости.
Система разработки определяется расположением скважин в породном массиве и зависит от горно-геологических условий, способа управления горным давлением и от обеспеченности водными ресурсами.
Список литературы
1. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. М.: МГГУ, 2001.
656 с.
2. Горное дело. Терминологический словарь. М.: Недра, 1990. 694 с.
3. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1978. 390 с.
4. Добыча урана методом подземного выщелачивания. М.: Атомиз-дат, 1980. 248 с.
5. Аренс В.Ж. Разработка месторождений самородной серы методом подземной выплавки. М.: Недра, 1973. 264 с.
6. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1980. 229 с.
7. Бочко Э.А. Бурение и оборудование геотехнологических скважин. М.: МГРИ, 1982. 103 с.
8. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. М.: МГРИ, 1981. 84 с.
9. Бабичев Н.И. Проектирование геотехнологических комплексов. М.: МГРИ, 1985. 28 с.
10. Дядькин Ю.Д. Разработка геотермальных месторождений. М.: Недра, 1989. 229 с.
11. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. 2007. N 5. 29.01.
12. Дядькин Ю.Д. Использование тепла Земли. Л.: ЛГИ, 1987. 407 с.
Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., viksafronov@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Михеев Илья Юрьевич, инженер, [email protected], Россия, Тула, ООО «Производственное объединение «Овен»
TECHNOLOGICAL INNOVATIONS IN THE DEVELOPMENT OF NATURAL SAND
DEPOSITS
V.P. Safronov, I.Y. Miheev
The discovered deposits of natural sands, estimated by the mining and geological conditions of occurrence, have signs of being unattractive for investment according to the operational stripping ratio, which is established in accordance with the classification of technological systems of open development. Borehole hydraulic extraction is a promising technology. To improve it, a synthesis of graphical models of borehole laying in the geological massif and the procedure for their repayment was performed. It has been established that the following schemes are promising: pendulum and dead-end, which allow reducing the volume of stripping operations in the quarry and reducing the operational stripping ratio.
Key words: natural sand deposits, classification of technological systems, borehole extraction method, graphical modeling, pendulum scheme, dead-end scheme, land capacity.
Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, viksafronov@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Miheev Ilya Yurievich, project technical support engineer, [email protected], Russia, Tula, "Aries Production Association" LLC
Reference
1. Arens V.J. Physico-chemical geotechnology. Moscow: MGSU, 2001. 656 p.
2. Mining. Terminological dictionary. Moscow: Nedra, 1990. 694 p.
3. Rzhevsky V.V., Novik G.Ya. Fundamentals of rock physics. M.: Nedra, 1978.
390p.
4. Uranium mining by underground leaching. M.: Atom-izdat, 1980. 248 p.
5. Arens V.J. Development of deposits of native sulfur by underground smelting method. M.: Nedra, 1973. 264 p.
6. Arens V.Zh., Ismagilov B.V., Shpak D.N. Borehole hydrodynamics of solid minerals. M.: Nedra, 1980. 229 p.
7. Bochko E.A. Drilling and equipment of geotechnological wells. M.: MGRI, 1982.
103 p.
8. Babichev N.I. Technology of borehole hydraulic extraction of minerals. M.: MGRI, 1981. 84 p.
. 9. Babichev N.I. Design of geotechnological complexes. M.:MGRI, 1985. 28 p.
10. Dyadkin Yu.D. Development of geothermal deposits. M.: Nedra, 1989. 229 p.
11. Bulletin of normative acts of federal executive authorities. 2007. N 5. 29.01.
12. Dyadkin Yu.D. Using the heat of the Earth. L.: LGI, 1987. 407 p.
