CC BY
16
25. Sokolov I. V., Smirnov A. A., Rozhkov A. A. Improving the efficiency of quartz mining using a flat system of dispersed charges // Izvestiya vuzov. Mining journal. 2018. No. 1. P. 56-65.
26. Erofeev I. E. Improving the efficiency of drilling and blasting operations at the mines. M.: Nedra, 1988. 271 p.
27. Jofin S. L., Scarpati V. V., Sergeev V. E. Production technology of underground mining of ores is strong. M.: Nedra, 1979. 279 p.
28. Baranovsky K. V., Kharisova O. D. Evaluation of the actual indicators of ore extraction according to laser scanning in underground mining. Izvestiya tulskogo gosudarstvennogo universiteta. earth science. 2018. No. 4. P. 135-147.
29. Rozhkov A. A. Method of calculation of parameters of dispersion of borehole charges in the fan // Blasting. 2019. No. 122-79. P. 121-135.
30. Mosinets V. N. Crushing and seismic effect of explosion in rocks. M.: Nedra, 1976. 271 p.
УДК 622.227
РАЗРАБОТКА РОССЫПЕЙ НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ
СКВАЖИН
В.К. Багазеев, Н.Г. Валиев, В. А. Старцев
Исследовано обоснование способа разработки россыпей направленным бурением скважин. Приводится физико-механическое обоснование технологических параметров: гидромониторного размыва, формы и размеры очистных камер, адаптация методик расчетов гидротранспорта. Проведено моделирование гидромониторной струи в лабораторных условиях, получены зависимости снижения осевого давления при удалении забоя от насадки.
Ключевые слова: способ разработки, скважинная гидродобыча, устойчивость, обнажение кровли, прочностные параметры, суглинистые породы, россыпные месторождения, гидромониторная струя.
Перспективным направлением увеличения запасов золота является вовлечение в разработку труднодоступных для традиционных технологий участков и россыпей со сложным рельефом плотика, с западениями и трещинами, с небольшими запасами, залегающими на большой глубине, с высокой концентрацией золота в техногенных массивах методом скважинной гидравлической добычи (СГД). До настоящего времени СГД находится в стадии опытно-промышленного освоения при разработке титано-циркониевых песков и в стадии научного обоснования и изысканий при разработке талых россыпей золота. Большие возможности открываются при гидродобыче с горизонтальным направленным бурением скважин (СГД НБ). Горизонтальное расположение скважины позволит разместить в ней гидроствол большой мощности для эффективного размыва забоя и зачистки плотика россыпи, для исключения потерь золота. Теоретическое и
экспериментальное обоснование технологических параметров СГД НБ весьма актуально и имеет большое значение для золотодобывающей промышленности.
В качестве основных положений теоретического обоснования принимаются закономерности механики суглинистых грунтов и гидродинамики потока воды. Полученные параметры оценивались по результатам экспериментальных работ в промышленных условиях. К основным параметрам СГД НБ относятся: производительность гидромониторного размыва, параметры самотечной и напорной доставки пульпы, параметры очистной выемки песков.
Исходными данными являются физико-механические характеристики суглинистых пород и горно-геологические условия залегания промышленных концентраций золота.
Технология СГД НБ защищена патентом РФ как «Способ скважин-ной гидродобычи полезных ископаемых» [1].
Горнодобычной комплекс включает (рис. 1):
- оборудование бурения: буровая установка, комплект бурового инструмента, оборудование для приготовления и подачи бурового раствора, и его регенерации, контрольные локационные системы;
- оборудование размыва: гидромонитор, насос и трубы для подачи напорной воды;
- оборудование подъема пульпы;
- обогатительную установку.
1 7
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема СГД НБ: 1 - установка горизонтального направленного бурения; 2 - скважина; 3 - гидромонитор; 4 - забой; 5 - транспортный участок скважины; 6 - грунтовый насос или гидроэлеватор; 7 - разрезная траншея;
8 - пульповод
Для бурения добычных скважин принимается типовая установка горизонтального направленного бурения для прокладки трубопроводов. Проходка скважин осуществляется в 2 этапа:
о
- бурение пионерной скважины (угол входа 28-32 ... 40);
- расширение скважины до необходимых размеров.
Стандартные диаметры буровых штанг от 60 до 168 мм, длиной 2,0 - 10,6 м. Для бурения пионерных скважин используются гидромониторные долота диаметром от 40 до 200 мм.
На втором этапе для увеличения штанг применяются расширители-римеры. Диаметр расширителя принимается в зависимости от размеров размещаемого оборудования, штанга расширителя вытягивается обратным ходом.
Оборудование размыва включает гидроствол. Существующие типоразмеры гидромониторов предназначены для открытых и подземных горных работ или разрабатываются специально для СГД. Конструктивные особенности гидромонитора для СГД НБ заключаются в следующем.
1. Ось ствола гидромонитора совпадает с осью подводящего водовода - по сути ствол гидромонитора служит только для формирования струи. При этом нет необходимости в верхнем колене для поворота ствола в горизонтальной плоскости. Для манипулирования гидромониторной струей достаточно шарового соединения ствола и водовода. Возможно также соединение высоконапорным гибким шлангом.
2. Механизм для привода ствола предусматривается в виде системы рычагов и напорных гидроцилиндров или с использованием дефлекторно-го устройства. В качестве конструктивного аналога наиболее подходящим будет типовой гидроствол для размыва пород под водой или ствол типового гидромонитора для ОГР, например, ГМЦ-250 (рабочее давление 1,6 МПа, расход воды до 80 м /ч), вместе с тем целесообразно использовать канатное управление, при этом канат протягивается по скважине вдоль трубопровода на поверхность.
Размытая в забое порода в виде потока пульпы стекает к транспортному участку скважины или трубы, по которому поступает в зумпф.
Для подъема пульпы предусматривается гидроэлеватор (ГЭ).
Гидроэлеватор (ГЭ) широко используется при разработке россыпных месторождений для подъема песков на промывочные приборы (ГЭП, ПГШ). Достоинства ГЭ по сравнению с грунтовыми насосами: простота конструкции, надежность в работе при подаче пульпы любой концентрации, вплоть до сухой загрузки и подсоса воздуха, отсутствие движущихся частей.
Отметим следующие особенности разработки талых россыпей и золотосодержащих техногенных массивов:
- обводненность отложений, как правило, заболоченность поверхности и отсутствие требований к сохранению первоначального рельефа поверхности;
- низкая устойчивость пород;
- высокая ценность полезного минерала;
- незначительная глубина залегания;
- неблагоприятные природно-климатические условия, исключающие возможность производства очистной выемки и обогащения в холодное время года.
Разрушение глинистых пород гидромониторной струей можно поставить в зависимость от следующих физико-механических характеристик:
- предельного напряжения сдвига, выражающегося через показатели сцепления с и угла внутреннего трения ф;
- плотности, пористости, влажности;
- модуля общей деформации.
В нашем исследовании [2] механизм разрушения пород рассматривается как разрушение жестким штампом с решением задачи, по Березан-цеву В. Г. [3]. Получены формулы зависимости параметров размыва: удельного расхода воды qj, м3/м3, необходимого напора для разрушения пород Hmin, м, диаметра насадки d0, м, от физико-механических характеристик пород: плотности рп, т/м , сцепления с, МПа, угла внутреннего трения ф, град., модуля деформации Е, МПа, давления разрушения Рпр, МПа.
Величина Рпр определяется по формуле Прандтля-Рейснера для невесомого грунта, аппроксимированной авторами для суглинистых пород (в пределах угла внутреннего трения ф = 10-35°) выражением
Рпр = 0,00025Ф2,6с • ctgy, (1)
где с - сцепление грунта, МПа.
Выразим также величину разрушающего давления Рр через величину минимального напора перед забоем Hmin, м, необходимого для размыва пород:
Р
H . = K , (2)
min з /-ч 7 v У
2gP
2 3
где Кз ~ 0,1 - коэффициент запаса; g = 9,81 м/с ; р = 1,0 т/м - плотность воды.
Параметры гидромониторного размыва суглинистых пород
Нmin = 55Рпр; (3)
7,05а/Н • Е • р q, = ^^---(4)
3 Чт (f • H - Hmm)' 3
где qx - расход, м , воды с напором H, м, для размыва 1 м пород; f - коэффициент снижения осевого давления гидромониторной струи по мере удаления забоя от насадки на расстояние l.
Теоретическое определение коэффициента f весьма затруднительно, так как его величина зависит не только от динамики потока, но и от условий взаимодействия с преградой: угла натекания, скорости перемещения по забою, наличия воды в забое и образования водяной «подушки» и др.
В результате аналитического выражения экспериментальных данных С.С. Шавловского [4] получена формула
г = ехр(-(н Тя/0,78Х (5)
где характеризует соотношение между диаметром насадки и вели-
чиной напора при максимальном воздействии струи.
С целью конкретизации зависимости (5) для давления на кромке преграды (для условий зачистки плотика) авторами проведено физическое моделирование гидромониторной струи в лабораторных условиях (рис. 2).
11
Рис. 2. Лабораторная установка для создания и измерения осевого давления гидромониторной струи: 1 - резервуар (бак); 2 - насос;
3 - гибкое соединение (шланг); 4 - насадка; 5 - преграда; 6 - опора;
7 - шток; 8 - каретка; 9 -динамометр с индикатором; 10 - основание;
11 - манометр с индикатором
Отклонения теоретических значений по формуле (5) и измеренных в лабораторных условиях незначительные.
Образовавшаяся при размыве пород пульпа вначале самотеком по сформировавшемуся руслу поступает в зумпф, затем гидроэлеватором по трубопроводу поднимается на поверхность.
Объем пульпы зависит от параметров размыва и рассчитывается по формуле
& = А(1 - еп + д) м3/ч,
(6)
где А - часовая производительность размыва пород, м /ч; еп - пористость
33
пород, обычно еп = 0,25-0,40; д - удельный расход напорной воды, м / м .
С учетом пористости и естественной влажности разрабатываемых пород исходное соотношение воды и твердого
др + Ртв (1 -
1 - е
где рта - плотность твердых частиц (минералов) в пульпе, ртв = 2,65-3,0 т/м ; е - пористость отложений россыпи в целике, е = 0,3-0,35; Ж - естественная влажность разрабатываемых отложений россыпи, д. ед.
Объем твердых частиц Т в составе пульпы
Т = А(1 - е) м3/ч. (8)
В условиях СГД, необходимый для самотечного гидротранспорта, уклон создается за счет превышения забоя над транспортной канавой или плотика россыпи.
Оценка транспортирующей способности потока Ф, т/м , производится по соотношению Ж : Т = 1 / Ф. Поток будет обладать достаточной несущей способностью при соотношении твердого (Т) и жидкого (Ж) по формуле А. И. Куприна [5]
Т:Ж > ртв ) , (9)
(Ртв - Рп ) (( - ^)
где ртв, рп - плотность твердых частиц и пульпы, т/м ; Кт = 0,07-0,14 - коэффициент передачи энергии потоку жидкости; / = 0,34-0,47 - коэффициент трения твердого при движении по желобу (руслу).
Подъем пульпы предусматривается гидроэлеватором. Нами разработана методика расчета ГЭ [6], базирующаяся на теоретических положениях Б.Э. Фридмана [7]. Основным исходным параметром является коэффициент разбавления пульпы в ГЭ
Крп = (10)
П2 - П
где п1, п2 - соотношение воды и твердого в исходной пульпе (до подъема ГЭ) и в пульпе после подъема ГЭ.
Расчетные параметры гидроэлеватора:
- напор, необходимый для подъема пульпы,
Нн (КрП + 1)2
- диаметр насадки ГЭ
Н = ^77! > (11)
< =,/ „'Г""1^. (12)
4Тс(п2 - п1) П -Ф(28Инас)
32
где Тс = Т/3600 - производительность ГЭ, м/с; п = 3,14; g = 9,81 м/с ; ф=0,92-0,95 - коэффициент скорости в насадке; Дг - диаметр горловины,
Дг = ¿0(кРп +1) -фд , (13)
где фд - коэффициент скорости в диффузоре, фд ~ 0,8 - 0,85; Ут - действительная скорость потока в горловине и скоростной напор на выходе из горловины,
= 47^2+1) м/с, (14)
г ^Д2
V2
К= 2- м. (15)
2 &
Оценка работоспособности и КПД гидроэлеватора:
- гидроэлеватор работоспособен при Нп < или при
^, (16) где Нп = кг + Акн + квс - необходимый напор для подъема пульпы, м; Ит -геодезическая высота подъема; Мн - потери напора на напорном участке пульповода от ГЭ до места слива на шлюзы, м; Нвс - вакуум и величина потерь напора во всасывающем участке трубопровода, м, принимается в зависимости от высоты ГЭ над зеркалом пульпы в зумпфе.
Коэффициент полезного действия
р 2 (1 +1/ п2) , ч
П = -7К-^^ . (17)
Рв (Крп + 1)2 ■фg
В качестве особенностей СГД НБ выделим отсутствие устойчивой кровли четко выраженной границы между песками и торфами, а также особенности гидромониторной отбойки. В этих условиях параметры обнажения очистного пространства (длина, ширина, высота) увеличиваются по мере удаления от насадки гидромонитора и не ограничиваются обязательной длительной устойчивостью. Таким образом соответствующая пространственная форма камеры при размыве струей воды будет иметь вид % части шарового сектора с вершиной у насадки скважинного гидромонитора. В плане очистная камера имеет форму сектора.
Расчет предельного пролета камеры Ьпр рекомендуется [8] по высоте свода естественного равновесия Нс по зависимости А. А. Борисова
\ = (0,21 -0,3)ЬПр . (18)
В производственных условиях (АС «Нейва») проведены опытные размывы суглинистых пород россыпи (рис. 3). Гидромониторной струей размывался вруб непосредственно по плотику. В плане вруб имел секторо-видную форму, в поперечном сечении - форму свода, аналогичный форме очистной камеры.
\
Рис. 3. Экспериментальные размывы: а - схема; б - фото на участке россыпи «Висим»; в - фото на участке россыпи «Увальное».
Предусматриваются два варианта выемки относительно пульпоприемного зумпфа [9]: отступающий с размещением зумпфа в разрезной траншее; наступающий с размещением зумпфа в пульпоприемной вертикальной скважине
При отступающей выемке размыв начинается с образования одностороннего сектора - вруба для разворота гидроствола в горизонтальной плоскости, путем постепенного отступления от разрезной траншеи на длину гидроствола. В дальнейшем размыв производится в виде горизонтального вруба в приплотиковой части забоя. Линия забоя располагается под углом к оси скважины, т. е. размыв осуществляется боковым забоем.
При наступающей выемке размыв начинается от начала приплоти-ковой части скважины. Образовавшаяся пульпа самотеком поступает от забоя к горизонтальной направленной части скважины и далее по скважине в зумпф откачной скважины, откуда поднимается на поверхность гидроэлеватором.
По результатам исследования обоснован способ разработки суглинистых россыпей техногенных массивов с промышленными концентра-
циями золота, исключающий значительные объемы вскрышных работ, обеспечивающий безлюдную выемку промышленного пласта.
Список литературы
1. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых: пат. 2640611 РФ. № 2016121266; заявл. 30.05.2016; опубл. 10.01.2018. Бюл. № 1.
2. Starcev V. A., Bagazeev V. K., Valiev N. G. Justification of borehole hydraulic mining from thawed placers // Eurasian mining. 2017. № 1. P. 17-20.
3. Березанцев В. Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Гос. изд-во техн.-теор. лит., 1952. 120 с.
4. Шавловский С. С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. М.: Наука, 1979. 173 с.
5. Куприн А. И. Безнапорный гидротранспорт. М.: Недра, 1980.
244с.
6. Багазеев В. К., Шок В. И. Обоснование параметров для выбора гидроэлеватора при разработке россыпных месторождений // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2016. №. 8. С. 4-10.
7. Фридман Б. Э. Гидроэлеваторы. М.: Матгиз, 1960.
8. Рыльникова М. В., Зотеев О. В. Геомеханика М.: ЗАО "Издательский дом" Руда и металлы", 2003. 240 с.
9. Багазеев В. К., Валиев Н. Г. Расчет параметров очистной выемки песков россыпей при скважинно-гидравлической добыче // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 1. С. 13-16.
Багазеев Виктор Константинович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Валиев Нияз Гадымовыч, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Старцев Василий Андреевич, канд. техн. наук, ст. препод., [email protected], Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет
PLACER MINING BY DIRECTIONAL DRILLING WELLS V.K. Bagazeev, N.G. Valiev, V.A. Starcev
The study aims to justify the method of developing placers by directional drilling of wells. The physical-mechanical substantiation of the technological parameters is given: hydro-monitor erosion, shapes and sizes of treatment chambers, adaptation of the methods of hydraulic transport calculations. The jet monitor was simulated under laboratory conditions, and the dependences of the axial pressure decrease upon removing the bottom from the nozzle were obtained.
Key words: development method, down-hole hydraulic production, stability, exposure of the roof, strength parameters, loamy rocks, placer deposits, jet stream.
Bagazeev Viktor Konstantinovich, doctor of technical sciences, professor, Science@ ursmu.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State University,
Valiev Niyaz Gadimovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Ural State University,
Starcev Vasilyi Andreevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, starcev. 1992@,list.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State University
Reference
1. Method of hydraulic borehole mining of minerals: Pat. 2640611 of the Russian Federation. No. 2016121266; Appl. 30.05.2016; publ. 10.01.2018. Bull. No. 1.
2. Starcev V. A., Bagazeev V. K., Valiev N. G. Justification of borehole hydraulic mining from thawed placers // Eurasian mining. 2017. No. 1. P. 17-20.
3. Berezantsev V. G. Axisymmetric problem of the theory of limit equilibrium of a granular medium. M.: State publishing house.-Teor. lit., 1952. 120 C.
4. Shavlovsky S. S. fundamentals of jet dynamics in the destruction of the moun-tains-tion of the array. M.: Science, 1979. 173 C.
5. Kuprin A. I. hydrotransport Unconfined. M.: Nedra, 1980. 244c.
6. Bogateev V. K., Shock V. I. Justification of parameters to select the Elevator in the development of placer deposits // news of higher educational institutions. Mining journal. 2016. no. 8. S. 4-10.
7. Friedman B. E. Hydraulic Elevator. M: Mathis, 1960.
8. Ryl'nikova M. V., Eremin O. V. Geomechanics // ZAO "Publisher-sky house Ore and metals", 2003. 240 p.
9. Bogateev V. K., Valiev N. G. Calculation of parameters of stoping placer Sands by borehole hydraulic mining, Izv. higher educational. Mining journal. 2012. No. 1. S. 13-16.
