CC BY
45
© И.В. Британ, 2003
УДК 69.035.4:622.363.1
И.В. Британ
О ФАКТОРАХ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ
истемы разработки при скважинной гидродобыче (СГД), являющейся разновидностью подземного способа, могут быть классифицированы по принципу поддержания очистного пространства в период извлечения полезного ископаемого. Например,
С,В.Ж. Аренс выделяет следующие системы: с открытым
очистным пространством, с обрушением вмещающих пород или их плавной посадкой, с закладкой выработанного пространства [1].
Опыт, который был получен на Шемраевском месторождении богатых железных руд КМА, залегающих на больших глубинах (440-800м) в сложных горно-геологических условиях, дал новую информацию об особенностях процесса СГД, которые следует учитывать при оценке факторов, влияющих на выбор систем разработки. Эти особенности, выделяющие скважинную гидродобычу из традиционных подземных способов, следующие.
1. Совмещение в добычной скважине основных процессов горнорудного производства: вскрытие залежи, подготовка запасов к добыче, формирование очистной выработки, доставка руды и ее подъем.
2. Размещение призабойной части ствола добычной скважины в контуре очистной выемки и сдвижения руд, а выше - непосредственно над очистным пространством.
3. Работа добычного оборудования в зоне нерегулируемых обрушений горных масс.
4. Необходимость организации в ограниченном объеме совмещенных по времени сбалансированных процессов сдвижения и транспортировки руды к добычному устройству, приготовления гидросмеси и ее подъема.
5. Размещение залежей, пригодных для СГД, внутри массива руд не менее ценных, но не пригодных для этого по физико-техническим свойст-
вам, что превращает добычу в процесс селективной выемки первых, тогда как вторые играют роль вмещающих пород.
6. Небольшие размеры проходных каналов, через которые осуществляется доставка руды на поверхность, отсутствие эффективных способов до-измельчения обрушенных прочных руд в условиях скважин и, как следствие, накопление в призабойном пространстве обломочных руд и пустых пород.
7. Необходимость сооружения над каждой добычной скважиной технологического комплекса, размеры которого и требования техники безопасности регламентируют расстояния между одновременно работающими скважинами в технологически связанных сетях.
Учитывая перечисленные особенности, объекты (место-рождения, участки, залежи), пригодные для СГД, должны отвечать следующим требованиям:
• иметь достаточные запасы компактно залегающих руд, способных в процессе самообрушения или принудительного сдвижения дезинтегрировать с образованием разрушенной массы, основная часть которой представлена частицами, свободно проникающими через проходные каналы скважинного добычного оборудования;
• позволять применение систем разработки, которые создают условия для реализации технологических процессов добычи с сохранением работоспособности скважин до завершения выемки руды; обеспечивают возможность последующей доработки руд, оставляемых в недрах; исключают недопустимые нарушения окружающей среды.
Шемраевское месторождение богатых железных руд, на примере которого можно рассмотреть факторы, влияющие на выбор систем разработки, относится к остаточным месторо-
ждениям линейной коры выветривания, сформировавшейся в рифее-нижнем палеозое на палеоповерхности докембрийских железистых кварцитов. Рудный массив, имеющий в центральной части вертикальную мощность до 400-415 м, унаследовал структуру субстрата. Это проявляется в реликтовой полосчатости; в ритмичном чередовании горизонтов руд, различающихся по вещественному составу; в присутствии невыдержанных прослоев глубоко измененных сланцев; в блоковом строении, обусловленном приуроченностью линейных кор выветривания к зонам разрывным нарушений.
Мартитовые руды, представляющие на месторождении главную промышленную ценность, претерпели гипергенные изменения, которые не только влияли на состав, но в зависимости от времени, места и окислительно-восстановительного потенциала процессов или цементировали, или разуплотняли различные зоны и участки.
Руды перекрыты осадочным комплексом фанерозоя, мощностью 430450 м. В его основании залегают скальные устойчивые известняки нижнего карбона (50-70 м), выше -неустойчивые и очень неустойчивые отложения мезозоя: пески, глины, мел, которые способны проявлять плывунне свойства (здесь и далее термины и понятия, характеризующие горно-геологические условия, приняты по работе [2] ).
В результате горный массив, включающий руды и вмещающие породы, представляет собой сложную гетерогенную систему. Для центральной части она показана на разрезе (рисунок).
Важные особенности горногеологической обстановки в рудном массиве определяются положением моноклинально залегающих с падением на запад под углами 20-600 (средний около 450) горизонтов руд, существенно различающихся по физикотехнических характеристикам и устойчивости. Как следствие, такие горизонты представлены различными геотехнологическими типами руд [3], среди которых выделяются: самооб-рушающиеся самоизмельчающиеся (СР), принудительно сдвигаемые са-моизмельчающиеся (ПР) и каменистые (КР).
Два первых типа относятся к пригодным для СГД; последний, образующий при обрушении устойчивый обломочный материал, - не может извлекаться из-за ограниченных размеров проходных отверстий в добычной системе.
Среднюю часть массива занимает залежь мощностью 80-120 м, сложенная, в основном, неустойчивыми и очень неустойчивыми рыхлыми и слабо сцементированными рудами технологических типов СР и ПР. Она расчленяется пачками устойчивых и средней устойчивости КР и переслаивающихся КР и сланцев на три горизонта: нижний, средний и верхний, имеющих мощности: 30-40 м, 25-30 м и 15-20 м. Мощности пачек изменяется от 5-7 до 20-25 м.
Залежь перекрывается мощным (от 10-15 до 250 м) горизонтом полу-скальных руд типа КР, характеризующихся средней устойчивостью. Они являются высококачественным металлургическим сырьем, но не могут извлекаться способом СГД. Подстилается залежь также полускаль-ными рудами, которые чаще всего имеют более низкое качество, так как представлены в значительной части гётит-идрогётитовыми разновидно-стя-ми и характеризуются повышенным содержанием кремнезема и других компонентов незавершенных процессов окисления и выщелачивания субстрата.
Рудный массив и покрывающий осадочный комплекс обводнены. Последний содержит несколько водоносных горизонтов, пригодных для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Воды рудного комплекса высоконапорные (напор около 410 м). На больших глубинах они могут иметь повышенную минерализацию.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы. С позиций постоянных факторов, влияющих на выбор систем разработки (устойчивость руды и вмещающих пород, мощность и угол падения), залежь в целом и ее отдельные горизонты относятся к объектам мощным с наклонным залеганием с неустойчивыми и очень неустойчивыми рудами, с вмещающими породами средней устойчивость. При этом верхний горизонт имеет сложный многослойный перекрывающий комплекс, в основании которого располагаются полускальные руды, а
выше - слои скальных известняков и неустойчивых осадочных пород.
Такие горно-геологические условия позволяют, с учетом особенностей СГД выделять в качестве принципиально возможных для применения следующие системы разработки:
• система массового обрушения (с обрушением руды и вмещающих пород);
• камерно-целиковая система сплошной выемки с попутным заполнением камер обломочным материалом и с обрушением кровли;
• камерная система с закладкой выработанного пространства.
Первые две системы могут быть использованы для залежи в целом, третья - для каждого из выделяемых горизонтов руд, пригодных для СГД. В то же время, целесообразность и эффективность их применения зависит от ограничений, которые накладывают переменные горногеологические и технико-
технологические факторы, основные из которых следующие.
Необходимость сохранения поверхности, где размещается технологический комплекс ограничивает допустимые объемы извлечения.
Присутствие в налегающих породах трехсотметровой толщи обводненных глин, песков и мелов создает опасность проникновения плывунов в область обрушения и недопустимого засорения добываемых и оставляемых в недрах руд.
Необходимость сохранения и защиты от загрязнения водоносных горизонтов осадочного комплекса требует сохранения естественного залегания осадочных пород и изоляции горизонтов от высоконапорных вод рудно-кристаллической толщи.
Неоднородность рудного массива (в том числе залежи пригодных для СГД руд) по вертикали, по падению и простиранию; наличие контрастных физико-геологических границ между осадочными породами и рудами, между горизонтами различных типов руд, а также вдоль зон разрывных нарушений предопределяют неравномерность процессов сдвижения с образованием временных полостей и зависанием консолей. Это, как показали моделирование и практический опыт приводит к неуправляемым обрушениям, которые могут сопровождаться разрушением колонн труб на грани-
цах пород различной устойчивости.
Большая глубина залегания усиливает неравномерность процессов сдвижения [4]. В частности, в наклонных залежах наблюдается увеличение отставания обрушения пород висячего бока от очистной выемки и увеличение длины консолей, образованных подработанными устойчивыми горизонтами. Возможны лавинообразные обрушения с непредсказуемыми для оборудования последствиями. Наиболее опасной в этом отношении является граница между залежью руд, пригодных для СГД, и перекрывающими каменистыми рудами. Обрушения последних всегда прекращали добычной процесс, разрушая нижнюю часть колонн труб и перекрывая забой прочным обломочным материалом. Кроме того, с увеличением глубины снижается несущая способность потолочин. Критический пролет в условиях Шемраевского месторождения для пачек КР и сланцев внутри залежи и для перекрывающих залежь КР составляет 12-16 метров.
Присутствие в залежи и во всех ее горизонтах пачек и прослоев, содержащих КР, которые, попадая в зону добычи, превращаются в устойчивый обломочный материал. Он накапливается в нижней части камер, поднимая забой. При работе гидродобычного оборудования в завале, что требуется при массовом обрушении, обломочный материал может образовывать своеобразный фильтр, затрудняющий проникновение в зону добычи мелких фракций и заставляющий поднимать горизонт "выпуска" руды с неизбежной потерей продуктивности скважин.
Неустойчивость боковых пород требует, в случае применения камерной системы с закладкой, использования твердеющих смесей. Дешевых местных материалов для этой цели в районе нет.
Значительная неоднородность водно-физических свойств руд: руды типа СР и ПР с низкими фильтрационными характеристиками перемежаются с трещиноватыми КР, что вызывает сложности для применения высоконапорных технологий сдвижения руд.
Гидродобычное оборудование, основой которого в настоящее время являются серийные буровые агрегаты, требует для безопасных условий работ взаимного расположения на рас-
Рис і
стояниях не ближе 30-40 метров, ог-
раничивая возможности сближения одновременно работающих скважин и влияя на условия организации их взаимодействия.
Соотношение типов руд, пригодных для извлечения способом СГД, и каменистых руд в рудном массиве Шемраевского месторождения изменяется в центральной части для отдельных участков от 1:2 до 1:5. Преобладание последних требует применения систем разработки, позволяющих успешно извлекать оставляемые в недрах руды, как в нетронутом массиве так и в зонах, подвергнутых техногенным преобразованиями.
Ограничения, которые накладывают переменные факторы на выбор систем разработки, определяют следующие общие выводы.
1. Сохранение поверхности и водоносных горизонтов; исключение
прорывов плывунов, загрязняющих руду; предотвращение разрушений колонн скважин на границе рудного массива и осадочного комплекса требуют, чтобы любые системы с обрушением обеспечивали затухание сдвижений в пределах рудного массива.
2. Процесс выемки будет осуществляться в условиях проявления неуправляемых сдвижении (в том числе горизонтальных) на границах руд с различной устойчивостью, которые могут приводить к срезке технологических колонн. Поэтому системы разработки должны обеспечивать возможность восстановления работоспособности скважин без существенных затрат и потери продуктивности. Наиболее благоприятным направлением мас-сопереноса является близкое к вертикальному.
3. Возможность использования систем, требующих большого объема сдвижения руд в
горизонтальных плоскостях и на значительное расстояние, необходимо определять, кроме того, с
учетом крайней неоднородности физико-технических характеристик руд и их водно-физичес-ких свойств. В целом горно-геологическая ситуация для этого неблагоприятная.
4. Применимость систем необходимо оценивать с позиций успешного преодоления негативных последствий
от присутствия в горной массе прочного обломочного материала, накапливающегося в зоне добычи.
5. Очистная выемка должна быть успешной при одновременно работающих добычных скважинах на расстояниях 30 и более метров.
Изложенное свидетельствует о неравноценности систем разработки, которые были выбраны по постоянным факторам. Менее всего соответствует горно-геологическим условиям камерная система с закладкой выработанного пространства. Это связано, во- первых, с незначительной величиной и слабой предсказуемостью размера устойчивой потолочины, которая лимитирует размеры камер. Кроме того, невысокую продуктивность скважин будет снижать необходимость применения к допустимым объемам извлечения понижающего коэффициента живучести (запаса) для надежного поддержания камер до их закладки. Во-вторых, закладка вызовет потери значительных количеств попутно замагазинированных руд в результате их засорения. В-третьих, произойдет значительное удорожание работ из-за отсутствия дешевых местных материалов..
Целесообразность использования системы массового обрушения, ограниченной объемом рудного массива, выглядит неопределенно, прежде всего, из-за непредсказуемости процессов обрушения в условиях значительной неоднородности и больших глубин. Очевидна опасность разрушения технологических колонн труб, находящихся в области непрерывных и неравномерных сдвижений в верти-
кальной и горизонтальной плоскостях. Восстанавливать работоспособность скважин в условиях общего обрушения крайне затруднительно и, скорее всего, это потребует проходки новых стволов по разрушенной массе. Все это вызывает сомнение, по крайней мере, в возможности создать регла-
Геолого-геотехнологический разрез. Шемраевское месторождение, опытный участок: 1.-известняки; 2.-переотложенные железные руды; 3, 4 - богатые железные руды; 3 - в основном полускальные, геотехнологический тип - ка-менистые руды (КР); 4 - руды пригодные для СГД, в том числе: а)- в основном рыхлые, геотехнологический тип - самообрушающиеся самоиз-мельчающиеся (СР); б) - в основном слабо сцементированные, геотехнологический тип - принудительно сдвигаемые самоизмельчающиеся (ПР); 5 -внутрирудные сланцы; 6.- железистые кварциты; 7 - разрывные нарушения; 8 - скважины, их номера и глубины; 9 - горизонты и их абсолютные отметки; 10 - глубины геологических границ, пересекаемых скважинами
мент СГД, обеспечивающий равномерную площадную выемку руды, без чего трудно реализовать систему массового обрушения. Однако окончательный вывод по пригодности этой системы разработки можно будет сделать лишь после ее опытных испытаний.
Полученные к настоящему времени исходные данные позволяют считать, что наиболее полно горногеологической обстановке месторождения соответствует камерно-целиковая система сплошной выемки, которая обеспечивает наибольшую полноту извлечения руд, пригодных для СГД, наилучшие условия для поддержания живучести скважин и практически не зависит от ограничений, связанных с размерами площадей, занимаемых технологическим оборудованием на поверхности.
В зависимости от размеров и морфологии эксплуатируемых участков, от необходимого фронта работ могут использоваться различные модификации системы. В частности, для отработки крупных объектов применима камерно-целиковая система сплошной выемки панелями. Добычные скважины в этом случае размещаются по равномерной сети, учитывающей размеры временно устойчивой потолочины в кровле залежи (оценочно это сеть 20х20 м, но необходимо уточнение эксплуатацией). Добыча начинается выемкой по ка-мерно-целиковой схеме одной, двух, трех или любого иного числа панелей, располагающихся по нечетным профилям скважин. Первичные камеры отрабатываются через одну скважину. Извлечение руд начинается подсечкой в основании залежи с формированием компенсационной полости, с временным естественным поддержанием очистного пространства в зоне забоя
за счет неравномерной устойчивости различных участков руд. После обрушения руд в компенсационную полость, производится их выемка с ма-газинированием в нижней части не извлекаемого обломочного материала. Подобные циклы подработки руд, их сдвижения и добычи с постепенно поднимающегося забоя повторяются. Происходит последовательное обрушение всех устойчивых горизонтов и, в конце концов, кровли залежи путем подработки и обнажения потолочины сверх критической площади. В результате первичная камера заполняется обломочным материалом, который в подавляющем объеме (90-100%) представлен богатыми железными рудами. Вторичные камеры в панели отрабатываются между первичными с замагазинированной рудой по аналогичной схеме. Однако, здесь следует ожидать, учитывая снижение устойчивости, более интенсивного и одновременно более плавного процесса сдвижения руд к забою. Не исключено, что извлечение руд из вторичных камер, особенно в горизонтах с преобладанием СР, будет более эффективным при работе гидродобычного оборудования в завале.
Междупанельные целики извлекаются тем же камерно-целиковым способом, завершая сплошную выемку руды. В результате на месте отрабатываемой залежи образуется новое техногенное рудное тело очень неустойчивых обломочных богатых железных руд.
Для разработки небольших участков может использоваться камерно-целиковая система сплошной выемки блоками, размеры которых кратные выбранной сети добычных скважин. Возможны и другие модификации.
Камерно-целиковая система
сплошной выемки имеет ряд очевидных преимуществ:
• не требуется синхронизировать работу скважин;
• имеется возможность проводить работу любым количеством гидродобычных агрегатов, начиная с одного;
• не требуется обязательной технически сложной концентрации многих добычных агрегатов на локальной площадке;
• используется эффект разуплотнения руд в вышележащих горизонтах после отработки нижележащего, а также во временных междука-мерных и междупанельных целиках;
• создаются условия для работы добычного оборудования, как в завале, так и в открытом пространстве;
• имеются условия для быстрого восстановления работоспособности скважин в случае разрывов технологических колонн.
Существенные элементы камерно-целиковой системы, относящиеся к порядку отработки камер, получили опытную оценку [5], подготовив хорошую базу для начала опытнопромышленной эксплуатации месторождения таким способом. Расчеты показывают, что система позволит выйти на продуктивность отдельной скважины порядка 40-50 тыс. т руды, обеспечивая создание высокорентабельного рудника [6].
Состояние месторождения после извлечения пригодных для СГД руд с применением камерно-целиковой системы остается благоприятным для дальнейшей эксплуатации. Основная часть рудного массива сохранит свою естественную структуру, а место отработанной залежи займет однородное техногенное тело обломочных руд.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология (геотехнология). РАЕН, М., 1998, с.62.
2. Справочник по горнорудному делу. Под ред. В.А. Гребе-нюка, Я.С. Пыжьянова, И.Е. Ерофеева. М., Недра, 1983, с.816.
3. Британ И.В. Проблемы геотехнологической классификации и выделение залежей богатых железных руд КМА, пригодных для скважинной гидродобычи. Горный информационноаналитический бюллетень, № 9. Издательство МГГУ, - М., 2001, с. 130-141.
4. Бронников Д.М., Замесов Н.С., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах. М., Недра, 1982, с. 292.
5. Аллилуев В.Н., Британ И.В., Лейзерович С.Г. О циклично-
сти процессов самообрушения при скважинной гидродобычи богатых железных руд. В сб. «Вопросы проектирования эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», ч.1, Горнорудное производство. Старый Оскол, 1999, с.43-45.
6. Британ И.В., Гостюхин П,Д. прогноз продуктивности скважин и оценка экономической эффективности скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА. Горный информационноаналитический бюллетень, № 9. Издательство МГГУ, 2001, с. 121129.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 15
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Британ И.В. - НИИКМА Гипроруда.
