Способ добычи алмазов в условиях многолетнемерзлых кимберлитовых месторождений

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых, преимущественно малообъемных алмазоносных трубок, и при доработке корневой части трубкообразных месторождений алмазов после выемки подземным способом в условиях многолетней мерзлоты. Техническим результатом является оттаивание многолетнемерзлых кимберлитов теплотой технологических процессов, сопутствующих технологическому циклу добычи алмазов, и замораживание кимберлита, используя естественный холод. Способ включает вскрытие полезного ископаемого, опережающее бурение вспомогательных скважин малого диаметра и затем концентричных им основных скважин колонковым буром большого диаметра, отделение кернов от массива, их подъем на поверхность и последующее дробление и дезинтеграцию. Бурение скважин ведут с применением теплового воздействия, например термофрикционным способом, и охлаждением коронок очистным агентом, а после установления температуры забоя и стенок скважины до 100°C и ниже в скважину заливают раствор ПАВ, затем после подъема кернов большого диаметра в холодное время года их подвергают действию естественного холода ниже 0°C, а последующую дезинтеграцию проводят при положительной температуре. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых, преимущественно малообъемных алмазоносных трубок, и при доработке корневой части трубкообразных месторождений алмаза после выемки подземным способом в условиях многолетней мерзлоты.

Известен способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых с применением ПАВ, облегчающих механическую переработку руды и последующее обогащение [1]. Суть способа заключается в том, что выемочное поле обуривается скважинами, в полости которых заливают растворы ПАВ. Такая предварительная обработка делает возможным безвзрывную разработку крепких руд различными горными машинами, например, типа КСМ. Недостатком этого способа является специальное бурение густой сети заливочных скважин и неэффективное применение этого способа добычи в многолетнемерзлых породах.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ разработки месторождений полезных ископаемых выбуриванием керна большого диаметра, который может осуществляться различными устройствами для бурения колонковым способом скважин большого диаметра, например механическим колонковым буром, применяемым и для реализации способа отрыва керна [2]. При этом сначала обычным способом проходят вспомогательную скважину малого диаметра, затем в эту скважину вводят устройство для отрыва керна и одновременно колонковым буром проходят скважину большого диаметра. Отрыв керна проводят подачей под большим давлением буровой жидкости, но когда породы крепкие, давление жидкости увеличивают действием взрывчатых веществ.

Выполнение сквозного отверстия по оси керна обладает тем достоинством, что в полости этого отверстия можно разместить различные устройства для отрыва керна. В случае, если керн не удается оторвать устройством, то можно дополнительно воздействовать любым известным способом и устройством снаружи керна, разместив для этого конкретное устройство в кольцевой полости скважины большого диаметра. Но основное достоинство - в объеме керна кимберлита большого диаметра остаются в сохранности алмазы.

Кроме вышесказанного, бурение концентрических вспомогательной и основной скважин создает условия для разупрочнения разрабатываемых руд раствором ПАВ, например, для месторождений алмаза в Архангельской области, где нет многолетней мерзлоты. По данным исследований ИГД А.А.Скочинского при концентрации ПАВ в растворе не выше 0,1% у кимберлита прочность на сжатие снижается в 1,9-2,2 раза, а при комбинированном воздействии жидких и газообразных ПАВ (диоксид углерода CO₂) - в 2,5-3,5 раза. Поэтому применение ПАВ облегчит не только процесс бурения, но и последующее дробление и измельчение кимберлита. Недостатком является ограниченное применение ПАВ в условиях многолетней мерзлоты. Применение других способов разупрочнения многолетнемерзлого кимберлита, например, за счет циклов замораживания-оттаивания потребует специального прогрева кернов большого диаметра, что увеличит общее энергопотребление. Как известно, кимберлит разупрочняется даже при однократном цикле замораживания-оттаивания на 15-20%, а при пяти - может полностью дезинтегрироваться [3]. Следует заметить, что при понижении температуры до -10 -20°C прочность водонасыщенного кимберлита падает, а при дальнейшем понижении температуры прочность повышается.

Отсюда вытекают следующие задачи:

- эффективное применение ПАВ при разработке месторождений алмазов в многолетнемерзлых породах;

- оттаивание многолетнемерзлых кимберлитов теплотой технологических процессов, сопутствующих технологическому циклу добычи алмазов;

- замораживание кимберлита, используя естественный холод.

Эти задачи могут быть решены следующим образом. Согласно предлагаемому способу добычи алмазов, включающему вскрышные работы, опережающее бурение вспомогательных скважин малого диаметра, затем концентрических им основных скважин колонковым буром большого диаметра, отделение кернов от массива, его подъем на поверхность и последующую дезинтеграцию при обогащении, бурение скважин ведут с применением теплового воздействия, например термофрикционным способом, и охлаждением коронки очистным агентом, а после охлаждения забоя и стенок скважины до 100°C и ниже в скважину заливают раствор ПАВ, затем после подъема кернов большого диаметра в холодное время года их подвергают действию естественного холода ниже 0°C, а последующую дезинтеграцию и обогащение проводят при положительной температуре.

Для реализации предлагаемого способа разработки опережающее и быстрое бурение по определенной схеме вспомогательных скважин создает условия для длительного действия растворов ПАВ. Однако для заливки раствора ПАВ и разупрочнения наибольшего объема кимберлита диаметр вспомогательной скважины может быть в пределах 150 мм.

Из практики обогащения алмазов известно, что чем крепче кимберлит, тем меньше сохранность кристаллов алмаза. Поэтому предварительное разупрочнение, несомненно, будет способствовать повышению выхода высококачественных кристаллов алмаза.

Из анализа известных способов разработки трубкообразных и других месторождений видно, что предлагаемый способ представляет собой комбинацию известных способов выемки и разупрочнения кимберлита. Как известно, эффект разупрочнения массива мерзлых кимберлитов при бурении обычными механическими способами с последующим заливанием раствором ПАВ не наблюдается. Это объясняется тем, что в мерзлых породах микропустоты и поры заполнены льдом. Циклического протекания процесса замораживания-оттаивания, следовательно, и разупрочнения также не наблюдается, так как при выбуривании мерзлого кимберлита в холодное время года его температура на воздухе только понижается без фазовых превращений воды. В летнее время лед в порах многолетнемерзлого кимберлита оттаивает, появляются свободные ото льда поры, однако это, как показывает опыт, изменения прочности кимберлита не вызывает. Таким образом, сочетание известных механических способов бурения с известными способами разупрочнения пород не дает ожидаемого эффекта разупрочнения. Только при предлагаемой нами комбинации термомеханического способа бурения с известными способами разупрочнения появляется возможность разупрочнения многолетнемерзлых кимберлитов путем применения раствора ПАВ и воздействия однократным циклом замораживания-оттаивания. Мы полагаем, что благодаря такому сочетанию предлагаемый способ добычи алмазов по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:

- в условиях залегания в толще многолетнемерзлых пород кимберлиты разупрочняются раствором ПАВ;

- цикл замораживания-оттаивания кимберлита проводится без привлечения дополнительных энергоисточников;

- повышается сохранность кристаллов алмазов при механической переработке кимберлита благодаря его предварительному разупрочнению.

Все это позволяет нам утверждать, что наше предложение обладает новизной и существенными отличиями.

На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа добычи.

Способ осуществляется следующим образом. После вскрыши месторождения выемочное поле разбивают на сетку с ромбическими ячейками со сторонами и короткой диагональю, равной диаметру D основной скважины 1. В узлах сетки с применением теплового нагрева забоя, например теплоты трения специальных элементов коронки, бурятся вспомогательные скважины 2 диаметром около 150 мм. При этом забой и стенки скважины нагреваются до 600-700°C и массив кимберлита за счет теплопроводности растопляется, благодаря этому температура стенок скважины снижается до 100°C и ниже. Если стенки скважин устойчивы, для минимизации отвода тепла со стенок керна и скважины очистка забоя и охлаждение инструмента проводятся воздухом. После этого в скважину заливают раствор ПАВ, молекулы которого, адсорбируясь на стенках пор и микротрещин кимберлита, понижают его прочность. При бурении вспомогательных скважин принимают дополнительные меры по заданию вертикальности оси скважин и недопущению их искривления.

Бурение основных скважин большого диаметра проводится также термомеханическим колонковым буром. После охлаждения стенок керна и скважины до 100°C и ниже заливают раствор ПАВ. Так как скорость бурения скважин большого диаметра не превышает 1/м·час, а глубина бурения может быть 3-5 м и более, то время ожидания установления такой температуры будет мало отличаться от времени бурения. Это позволяет начинать сразу подготовительные работы по отрыву керна. Однако отрыв и подъем керна наверх осуществляется после его насыщения раствором ПАВ. В холодное время года керн некоторое время хранится в холодном складе, и раствор ПАВ, проникший во все поры и микротрещины, замерзает, распирая скелет породы за счет увеличения объема воды при замерзании. После этого на обогатительной фабрике керн дробят при положительной температуре. При этом кимберлит проходит полный цикл замораживания-оттаивания, и поэтому дальнейшее измельчение осуществляется с меньшей затратой энергии. По мере выемки кимберлита до проектной глубины скважины закладывают материалом после обогащения или другой пустой породой с песком и суглинком 3. Таким образом, в предлагаемом способе добычи кимберлит подвергается двум различным по физической природе процессам разупрочнения: в одном случае за счет адсорбционного понижения поверхностной энергии ПАВами, а в другом - за счет механического ослабления молекулярных связей в кимберлите, вызванного объемным расширением воды при ее превращении в лед.

При очистке забоя воздухом растепление скважин в некоторых случаях может вызывать обвал стенок скважины. В этом случае охлаждают коронку и очищают забой водой с раствором ПАВ.

Источники информации

1. Виницкий К.Е. О перспективах применения машин типа «КСМ» на открытых горных разработках [Текст] / К.Е.Виницкий, P.M.Штейнцайг. // Доклад на симпозиуме "Неделя горняка - 1998". Москва, МГГУ, 02.02-06.02. 1998 года. - Москва: ГИАБ. - 1998. - №4. - С.173-180.

2. А.с. 67474 СССР, Класс 5а, 37. Способ отрыва керна после проходки колонковым буром [Текст] / Г.И.Булах (СССР). - №30-46 (343046); заявл. 19.02.1946; опубл. 31.12.1946, бюл. №. - 4 с.; ил.

3. Курилко А.С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород [Текст] / А.С.Курилко; отв. ред. В.А.Шерстов. - Якутск, ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН», 2004. - 154 с.

1. Способ добычи алмазов в условиях многолетнемерзлых кимберлитовых месторождений, включающий вскрытие полезного ископаемого, опережающее бурение вспомогательных скважин малого диаметра и затем концентричных им основных скважин колонковым буром большого диаметра, отделение кернов от массива, их подъем на поверхность и последующее дробление и дезинтеграцию, отличающийся тем, что бурение скважин ведут с применением теплового воздействия, например термофрикционным способом, и охлаждением коронок очистным агентом, а после установления температуры забоя и стенок скважины до 100°С и ниже в скважину заливают раствор ПАВ, затем после подъема кернов большого диаметра в холодное время года их подвергают действию естественного холода ниже 0°С, а последующую дезинтеграцию проводят при положительной температуре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку забоя и охлаждение коронки ведут воздухом.