Технико-экономическая эффективность скважинной разработки месторождений полезных ископаемых Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 16

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© А.В. Андреев, 2001

УДК 65.011.46:622.271.6

А.В. Андреев

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СКВАЖИННОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

С

кважинная гидродобыча (СГД) -метод подземной добычи твердых полезных ископаемых, основанный на приведении руды на месте залегания в подвижное состояние путем гидромеханического воздействия и выдачи на поверхность. В СССР были широко развернуты научноисследовательские, проектноконструкторские и опытнопромышленные работы по СГД. К этой теме были привлечены следующие научные организации: МГРА (быв. МГРИ), ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИ-гидроуголь, МТТУ, УкрНИИ-гидроуголь, ГИГХС и др.

Серьезное внимание скважинной гидродобыче уделяется в США, Венгрии, Австралии, Индии и ряде других стран. С 1975 г. в США успешно эксперимен-тируется и внедряется этот метод при добыче угля (шт. Вашингтон), ас 1981 г. - при добыче фосфоритов (шт. Флорида). Последние добывают с глубин до 100 м при мощности пластов 6 м. Образуются камеры объемом до 1200 м3 с выдачей через одну скважину 45-50 т/ч. На месторождении Блар-Крик (США) СГД отрабатываются ураносодержащие песчаники прочно-

стью 5,6 МПа. Пласты мощностью 1,8 м залегают на глубине около 30 м. При радиусе разрушения песчаников до 10 м из камеры добывалось около 800 т.

В Венгрии обоснована и экспериментально доказана эффективность СГД для отработки глубоко-залегающих, обводненных и разрозненных бокситовых месторождений.

В Австралии и Индии методом скважинной гидродобычи разрабатывают весьма обводненные россыпные месторождения золота, олова и др. залегающие на глубинах от 25 до 100 м.

В России в 70-е годы активно начали внедрять методы скважинной гидродобычи малопрочных пористых, рыхлых и слабосвязанных полезных ископаемых, таких как песок, гравий, фосфориты, уран, уголь, торф, рыхлые марганцевые и мягкие бокситовые и железные руды, золото, олово, титан

Обширной областью применения метода СГД является разработка песчано-гравийных строительных материалов. В 1980-1982 гг. в районе Само-тлора проводились опытнопромышленные работы по СГД песков с глубин от 50 до 270 м. Было добыто около 7 тыс. м3 песков с производительностью

по твердому 20 мЭ/ч при расходе напорной воды 3 м и сжатого воздуха 30 м3.

В 1975-1982 гг. на Кинги-сепском ПО «Фосфорит» проводились испытания разработанной ГИГХСом технологии и оборудования СГД. Из пласта мощностью 2,5-3 м, залегающего на глубине 20-25 м, добывалось 15-18 тыс. т. руды в месяц.

С 1975 г. сотрудники МГРИ (Д.П. Лобанов, Н.И Бабичев и др.) вели опытные работы по применению СГД для разработки гидрогенного месторождения в виде пологой пластовой залежи мощностью от 1 до 3 м. Камеры на глубине 100 м объемом до 200 т отрабатывались за 8-10 ч.

В текущее время в России имеются специализированные фирмы, выполняющие работы по СГД, как на рудниках, так и на угольных месторождениях.

Выполненные в НПЦ «Геотехнология» и АО «Внеш-промтехобмен» проектно-

конструкторские работы и внедрение гидроскважинной технологии по извлечению разнообразных полезных ископаемых России: россыпей, редких и драгоценных металлов (ВолгоВятский район и Сибирь), алмазных трубок (север России), железных руд (КМА), строительных материалов, а также технико-экономические показатели работы участков с гидроскважинной технологией на разрезе «Листвян-ский» и Южно-Абинской станции «Подземгаз» подтверждают возможность применения СГД для добычи угля.

Технология разработки месторождения методом СГД применительно к освоению Вахру-шевского буроугольного месторождения тесно связана с геологической обстановкой залегания угольного пласта.

Технологическая цепь получения товарного угля включает эксплуатационную разведку; бурение добычных скважин (диаметром 200-500), подготовительные работы (энергия сжатый воздух, вода); непосредственно добычные работы.

Отработка угольного пласта может осуществляться системой одиночных или смежных камер с оставлением целиков или

сплошным забоем в отступающем порядке с управляемой посадкой покрывающих пород. Целесообразно осуществлять

управление горным давлением закладкой отработанных камер отходами обогащения или пустыми породами с последующей отработкой межкамерных целиков. Затем проводится рекультивация, которая заключается в ликвидации добычных скважин и в планировке поверхности.

Технологическая последовательность операций следующая: бурение, обсадка и цементация добычных скважин; спуск гидродобычного снаряда в добычную скважину, размыв и выдача угольной пульпы по трубопроводу к виброситовой установке для первичного обогащения пульпы и удаления воды, складирование сухого угля с вибросит на поверхность и отгрузка товарного угля потребителю. Таким образом, СГД включает в себя только поверхностное оборудование, исключает нахождение людей в подземных выработках и связанные с их проведением капитальные вложения и производственный травматизм.

Добыча угля с использованием СГД создает большие преимущества перед традиционными способами добычи, которые позволяют по-новому оценить эксплуатируемые, отработанные и вновь открытые месторождения. Установлено, что СГД обеспечивает технологиче-

ский, экономический и экологический эффект.

Технологический эффект. Главными факторами, обеспечивающими высокую эффективность СГД, являются малоопе-рационность и поточность эс-новного процесса добычи, что обеспечивает возможность ее полной механизации и автоматизации. СГД обеспечивает исключение большинства недобычных операций по вскрытию (буровзрывные работы, погрузку и транспортировку вскрышных пород). Обводненность месторождения не существенно влияет на ведение технологического процесса добычи. Специфическое оборудование СГД - скважинный гидромонитор и выдач-ное устройство (эрлифт, гидроэлеватор, гидроэрлифт) простое в изготовлении. Использование гидрозакладки позволяет отказаться от хвостохранилищ и поместить отходы обогащения в отработанных подземных камерах. Создание передвижных насосных, компрессорных, а также самоходных гидродобычных агрегатов позволяет быстро организовать добычу на небольших месторождениях, разработка которых традиционными способами нерентабельна. Заболоченность поверхности или даже залегание месторождения под водоемом не являются препятствиями для его эксплуатации, так как добычные агрегаты могут быть смонтированы на шасси в болотном исполнении, или на понтоне, барже.

Экономический эффект. Простота основного оборудования предопределяет небольшие капитальные вложения. Дорогостоящие вскрышные работы заменяются бурением добычных скважин. С увеличением глубины залегания-пласта затраты на разработку месторождения возрастают незначительно. Попут-

ное обогащение в процессе гидродобычи и гидротранспорта сокращает расходы на переработку угля и улучшает качество концентрата.

Автоматизация поточного гидравлического процесса добычи, доставки, подъема позволяет осуществлять полную автоматизацию производственного процесса.

Экологический эффект. При скважинной гидродобыче создаются благоприятные возможности по обеспечению охраны природы и безопасной работы. Отсутствие вскрышных работ позволяет сохранить в целости культурный слой почвы, а при разработке месторождения в затопленной камере - режим поверхностных и подземных вод. Затраты на рекультивацию поверхности месторождения после СГД незначительны, так как они сводятся в основном к ликвидации разведочных и добычных скважин.

Отсутствие взрывных и погрузочных работ и автомобильного транспорта практически исключает запыленность и загазованность атмосферы и полностью снимают вопрос вентиляции, как при разработке месторождения глубокими карьерами или шахтами, тем самым обеспечивая комфортные условия труда.

Гидравлическая закладка отходами обогащения отработанных камер существенно уменьшает объем хвостохранилищ, являющихся источником запыленности и загазованности окружающей среды: почвы, воздуха и воды.

Поточная технология добычи и транспортирования угля создает возможность для комплексной механизации и автоматизации СГД, а также обеспечивает управление добычей из единого диспетчерского пункта.

Технология СГД совместно с гидротранспортом позволяет применить систему водоснабжения, которая не загрязняет поверхностные и подземные источники воды и существенно уменьшает расход свежей воды.

Успех разработки месторождения методом СГД зависит прежде всего от физико-геологических условий, главными из которых являются возможность перевода руды (угля) в подвижное состояние и осуществление управления толщей налегающих пород. При этом мощность пласта, глубина его залегания и ценность угля должны обеспечить рентабельность добычи.

Физические основы гидравлического разрушения угольного пласта.

Гидромониторными струями практически можно разрушить угольный пласт и породы любой крепости. На интенсивность процесса гидравлического разрушения горных пород при СГД влияют физико-геологические, гидравлические и технологические факторы. К физико-геологи-ческим факторам относятся крепость, твердость, состав, структура, текстура угля, их пористость и трещиноватость, смачиваемость, водопроницаемость, вязкость хрупкость и т.д.

К гидравлическим факторам относятся напор и расход (диаметр насадки), т.е. характеристика струи гидромонитора. К технологическим факторам относятся условия воздействия струи на забой: скорость перемещения струи отно-

сительно забоя, угол встречи струи с забоем, порядок выемки, параметры заходки, количество обнаженных поверхностей, ориентировка забоя относительно трещиноватости и т.д. - все это характеризует условия работы.

Таким образом, выполненный краткий обзор технологической схемы и применяемого при СГД оборудования выявил возможность его эффективного применения для отработки пласта 5 Вах-рушевского буроугольного месторождения.

Технологическая цепь получения товарного угля способом СГД включает:

• бурение, обсадку и цементацию добычных скважин в центре выемочной зоны;

• спуск гидродобычного

Таблица 2

ПОТРЕБНОЕ КОЛИЧЕСТВО УСТАНОВОК СГД И ПЕРСОНАЛ НА ГИДРОДОБЫЧНЫХ РАБОТАХ

іКібййааство отРа-баСыдаыхЕздо-К Количество отрабатывае-э-МОШКОСКЙЕ ойШШл И Количество установок пОСГД для обеспечения Персонал установки СГД, чел Списочный Персонал шахты, за-

Показател і тыс. т., ед, Ед. изм. Количество

44 20 Запасы 3 20 20

і— Выемочная А д а ща о М2 706,5

2. Средняя выемочная площадь М 15,0

3. Объем горной массы М3 10597,0

4. Количество угля т 14306,6

5. Извлекаемые запасы угля при коэффициенте выемки 0,4 т 5722

Буровые работы по эксплуатационной скважине

1. Объем бурения центральной скважины 317 мм пог.м. 120

2. Расход времени на передвижение буровой, бурение, обсадку и цементацию скважины смены 7(3)

3. Расход обсадных труб 219 мм Т 0,5 (1,0)

4. Объем цементируемого затрубного пространства М3 1,86

5. Расход цемента Т 0,19

Г идродобычные работы

1. Техническая производительность гидродобычного заряда по горной массе т/час 50

2 Расход воды Куб.м/т 10

3 Время гидродобычи запасов (коэффициент использования гидродобычного снаряда 75 %) смены 10

Всего по вынимаемой площади

1. Объем бурения пог.м. 120

2. Обще время на отработку запасов смен 14

3. Расход энергии на гидродобычу кВт ч/т 30

снаряда в добычную скважину, размыв и выдачу на угольной пульпы на поверхность;

• транспортировку угольной пульпы по трубопроводу к обогатительной фабрике для первичного обогащения пульпы и удаления воды;

• обезвоживание и отгрузка товарного угля потребителю.

Таким образом, СГД включает в себя в основном поверхностное оборудование, а использование существующей ОФ для целей обезвоживания, обогащения и сушки значительно снижает капитальные затраты на выбранную технологию.

Вскрытие и подготовка пласта при применении способа СГД осуществляется скважинами.

Основная последовательность операций по отработке выемочной площади по пласту следующая:

• бурение центральной скважины диаметром 317 мм под обсадную трубу диаметром 219 мм. с цементацией затрубного пространства;

• монтаж и спуск гидродобычного снаряда конструкции НПЦ «Геотехнология» на забой скважины;

• размыв угля гидромонитором и подъем угольной пульпы на поверхность гюроэлеваторной установкой. Глубина скважин в выемочном блоке участка №1 со-

ставляет 120 м., мощность пласта 15 м. Основные параметры применительно к одной скважине приведены в табл. 1 .

В расчете, результаты которого представлены в табл. 2, принят следующий режим работы предприятия при выходе на проектную мощность 150 тыс. угля в год:

количество рабочих дней в году - 300; количество смен в сутки - 3; рабочих смен в году - 900.

По предварительным расчетам, при самом неблагоприятном варианте ведения горных работ методом СГД уровень рентабельности для условий Вахрушевского буроугольного месторождения составит не менее 34-35 %.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

,___________________________________________________________________________________£|

Со

Андреев Андрей Владимирович - доцент, кандидат технических наук, зам декана, Дальневосточный государственный технический университет.