Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам выемки преимущественно трубообразных или крутопадающих залежей, например, алмаза и золота, и может быть применено при проходке стволов шахт, глубоких котлованов и шурфов. Сущность изобретения заключается в том, что полезное ископаемое отделяют от массива и подают в устье скважины, которая бурится устройством, транспортирующим буровую мелочь к забою и выдающим ее на поверхность по внутренним каналам буровой колонны. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам открытой разработки месторождений полезных ископаемых, и может быть использовано при выемке малообъемных крутопадающих залежей, например, золота и алмаза, и не исключает возможности использования при разработке горизонтальных, пологих или наклонных залежей, а также при проходке стволов шахт или глубоких котлованов, ям и траншей при земляных работах.

0известен способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых, используемый при разработке крутопадающих месторождений полезных ископаемых [1] Суть способа заключается в том, что предварительно открытым способом осуществляют разработку месторождений до уровня, ниже которого открытая разработка является нерациональной, затем определяют контур зоны разработки и по этому контуру устанавливают вертикальную замкнутую крепь. Выемку полезного ископаемого ведут внутри крепи любым известным способом.

Недостатком этого способа являются значительные расходы на крепление бортов карьера и невозможность применения при разработке малообъемных трубкообразных залежей.

Известен способ бурения скважин, включающий одновременное бурение лидирующей скважины пилот-долотом и ее расширение расширителем, установленным на двойной буровой колонне [2] Этот способ бурения можно применять как бурошнековый способ выемки трубкообразных месторождений.

Суть способа заключается в том, что на забой участка расширения подают без обратной циркуляции воду, причем очистной агент подают по межтрубному каналу буровой колонны, а шлам с забоя лидирующей скважины и забоя участка расширения подают в загрузочные окна буровой колонны посредством шнекового транспортера с последующим выносом шлама на устье скважины через центральный канал буровой колонны.

Недостатком этого способа является ограничение диаметра буримой скважины диаметром расширителя и мощностью станка. Вследствие этого при выбуривании полезного ископаемого неизбежны потери в целиках, необходимо бурить большое количество скважин и малая производительность из-за частых перестановок буровой установки.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ открытой разработки, описанный в а.с. СССР N 1453010, кл. B 21 C 47/00, 1989. Способ включает вскрытие полезного ископаемого, предварительное бурение скважины и установку в ней транспортного устройства, отделение полезного ископаемого, его подачу в устье скважины, транспортировку к загрузочным окнам у забоя скважины и выдачу его на поверхность по внутренним каналам наружной трубы на поверхность.

Однако его применение при разработке трубко- и столбообразных месторождений с большими трудностями технологического порядка, т.к. при предварительном бурении глубокой скважины изначально увеличивается высота падения и подъема подаваемого в затрубное пространство полезного ископаемого. Кроме того, отделение от массива полезного ископаемого черпаками ограничивает область применения способа породами крепостью по шкале М.М.Протодъяконова максимума 2-3, т.е. породами типа уголь, гипс, каменная соль, мергели и др.

Целью данного изобретения является повышение эффективности открытой выемки трубкообразных и столбообразных месторождений полезных ископаемых путем одновременного бурения скважины и подачу в затрубное пространство полезного ископаемого.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу подачи и выдачи из затрубного пространства по внутренним каналам буровой колонны полезного ископаемого. Причем буровая установка должна иметь достаточную производительность по транспортировке бурового шлама, т.е. полезного ископаемого, наверх. Постановка такой задачи вызвана тем, что ее решение автоматически обеспечивает достижение поставленной цели. По нашему мнению, такая задача ставится впервые, что говорит о новизне нашего подхода.

Таким образом, поставленная цель может быть достигнута тем, что при выемке полезного ископаемого установкой большего диаметра расширяют скважину, например, малогабаритным электробульдозером с активным рыхлителем, стругом или комбайном. При этом ископаемое через затрубное пространство поступает в загрузочные окна буровой колонны и транспортируется наверх по внутренним каналам буровой колонны, забой расширяемой части формируют с уклоном в сторону скважины, а саму буровую установку размещают как в пределах контура на ферме в центре месторождения, так и по контуру на вмещающих породах или рудном теле. При ведении земляных работ расширить скважины можно и вручную отбойными молотками или даже обычной лопаткой, если буровая установка малопроизводительна.

Из анализа известных способов разработки трубкообразных и других месторождений видно, что предлагаемый способ представляет собой комбинацию известных способов, а именно, бурошнековой выемки с бульдозерной, или со струговой, или с комбайневой выемкой полезных ископаемых. Однако в таком сочетании бульдозерный, струговый и комбайневый способы выемки проявляют новое свойство, а именно, расширения скважины. Это свойство направлено на достижение поставленной цели.

Рассматриваемая в комплексе сочетания бурошнековой выемки и бульдозерной отработки мы также заметили, что, обрабатывая бульдозером, т.е. расширяя скважину с уклоном в сторону ее устья, мы значительно облегчим транспортировку горной массы. При обычной бульдозерной отработке этого достичь невозможно, ибо вся горная масса подается к бортам карьера, где она и складируется. А это неизбежно создает, наоборот, подъем определенной высоты. Если бульдозер подает на бункер, то подъем образуется из-за того, что уровень полигона понижается, а бункер сохраняет свое положение. Таким образом, такое сочетание обладает еще эффектом совместимости, т.е. синергизмом.

В ходе анализа по патентным и литературным источникам мы не встретили аналогичного сочетания способов выемки.

Все это позволяет нам утверждать, что наше предложение обладает новизной и существенными отличиями, т.к. новые свойства не являются арифметической суммой свойств каждого отдельно взятого способа разработки и не просто следствием развития уровня техники.

Предлагаемый способ разработки имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: расширена область применения в сторону малообъемных трубкообразных месторождений, а также проходки глубоких ям и котлованов; возможность разработки пород, крепостью по шкале проф. М.М.Протодъяконова 4-5, отвечающей возможностям горных комбайнов.

На фиг. 1,2,3,4 приведены схемы реализации способа выемки.

Для осуществления способа применяется метод комбинирования, к примеру, бульдозерной послойной отработки и бурошнековой выемки (фиг.1). При этом бурят скважину 1 диаметром 300-1000 мм устройством 2 для бурения скважин большого диаметра по заявке N 5035756/03/016460 и одновременно с этим бульдозер 3 послойно снимает разрыхленный кимберлит и подает его в устье скважины. При выемке полезного ископаемого из трубкообразных месторождений малого объема, например, алмаза, в целях исключения загазованности могут применяться подземные электробульдозеры с рыхлителями.

Затем кимберлит поступает на забой расширяемой части скважины, оттуда шнеком 4 направляют к забою пилот-долота 5 и подают его в загрузочные окна 6, а выделяют наверх по центральному каналу двойной трубы. Наверху кимберлит направляют в бункер-питатель и на контейнер или на автосамосвал.

Если после рыхления при послойной отработке и дополнительного дробления не удается достичь допустимой крупности, устанавливают небольшую дробилку и только после дробления подают кимберлит в скважину. Можно дробить и в скважине специальными устройствами. При послойной отработке полигон формируют с уклоном к устью скважины для облегчения транспортировки горной массы или даже вплоть до самотека горной массы, обеспечив условия по технике безопасности. При выемке крайне маленьких месторождений или проходке стволов шахт, шурфов и глубоких ям буровая установка может быть смонтирована в центре залежи на ферме (фиг.2). Причем, ввиду малого размера залежи, применяется малогабаритный электробульдозер, который двигается по спиралеобразным траекториям.

При отработке залежи более крупного размера, когда установка фермы становится трудной инженерной задачей, возможно бурение скважин по контуру месторождения прямо по полезному ископаемому (фиг.3). Одновременное бурение нескольких скважин по контуру залежи и подача кимберлита к устьям скважин позволяет отрабатывать и более крупные месторождения. Однако при этом неизбежны потери из-за оставления целиков. Поэтому, если мощность буровой установки позволяет проходить скважины большого диаметра по вмещающим породам, более рационально устанавливать буровую на более устойчивый породный массив (фиг. 4). Достоинством этой схемы является возможность отрабатывать глубокие карьеры, не боясь потери устойчивости буровой колонны под действием осевого усилия. Однако при этом потребуется устанавливать по длине скважины специальные опоры под буровую колонну.

С целью выемки крупных залежей с использованием естественного холода для замораживания бортов карьера, т.е. повышения их устойчивости, эалежь полезного ископаемого разбивают на отдельные участки (фиг.5). Затем зимой ведут выемку одного из этих участков до его границ, а летом закладывают и добавляют вяжущий состав, обеспечивающий устойчивость закладочного материала при последующем обнажении. Выемку следующего участка ведут тоже в холодное время года после схватывания вяжущего состава. Если естественные борта неустойчивы и в зимнее время, выемку можно проводить с одновременным креплением любым известным способом. Если месторождение имеет объем 450 000м³, его можно разделить на три объема и, ведя выемку зимой, а закладку и монтаж буровой установки летом, разработать за три года (см. раздел "Пример конкретного выполнения").

Возможность реализации предлагаемого способа выемки покажем для малообъемного кимберлитового месторождения. Расчет ведем по методике, изложенной Н. А.Беляевым.

Пример диаметр вала d^b-0,17 м, а диаметр шнека и пилот-долота D_ш-0,4 м. Площадь проходного сечения впадин между витками шнека: , где 0,9 коэф. учитывающий объем, занимаемый лопастью.

Запас руды в малообъемных месторождениях алмаза колеблется от 50.000 до 800.000 т [2, стр.44] что по объему составит от 28000 до 335000 м³. Однако объем наибольшего числа месторождений колеблется около 150000 м³, что и примем за объем среднего месторождения Q. Из условия устойчивости стенок скважины разработка проводится исключительно в холодное время, т.е. в течение 7 месяцев. Принимая коэф. использования рабочего времени 0,7 и круглосуточную работу, рассчитаем чистое время выемки в минутах:T= 7·0,7·30·24·60=220000 мин. Тогда требуемая производительность бурения выемки .

Для достижения такой минутной производительности необходимо породной мелочи сообщить скорость V, определяемую из соотношения VK_p-F_eV, где К_р коэф. разрыхления породы, принимаем К_р=1,6.

Требуемая скорость вращения шнека должна быть не менее: где t_ш шаг навивки лопастей принимаемый для нашего случая 0,6;
К_пр коэфф. углового проскальзывания потока кимберлита относительно стенки лидирующей скважины К_пр=0,7.

Тогда скорость вращения шнека:

что при бурении кимберлита приемлемо, хотя диаметр скважины и большой (600-700 мм).

Выдача кимберлита производится по внутренней трубе с внутренним каналом d 150 мм 0,15 м. По В.А.Перетолчину примем критическую скорость витания частиц кимберлита (g 2,4 т/м³) диаметром 20 мм 34 м/сек 2040 м/мин. Тогда расход воздуха Q_b V_kp·S V_кр 11₄d² 2040·0,785·0,0225 38 м³/мин. Если принять компрессор производительностью 50 м³/мин, то будем иметь запас по крупности частиц или по избыточной скорости.

Таким образом, одна установка для бурения скважин большого диаметра со шнеком 400 мм в лидирующей скважине и осевым каналом диаметром 150 мм при скорости вращения шнека 61 об/мин и подаче воздуха до 50 м³/мин может в течение 7 месяцев обеспечить выемку месторождения объемом в 150000 м³ или размером по осям 35х55 и глубиной 200 м. Для выемки более крупных залежей следует отрабатывать двумя, тремя установками или применять установки с пилот-долотом и шнеком до 600-800 мм.

Формула изобретения

1. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых преимущественно трубко- и столбообразной формы малых объемов, включающий вскрытие полезного ископаемого, бурение скважин большого диаметра, отделение полезного ископаемого от массива, его подачу в затрубное пространство, транспортировку к загрузочным окнам и выдачу на поверхность к внутренним каналам транспортной колонны, отличающийся тем, что бурение скважины и подачу полезного ископаемого ведут одновременно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полезное ископаемое перед подачей в затрубное пространство дополнительно дробят.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полигон-забой формируют с уклоном к устью скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5