Способ и устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд (варианты)
Владельцы патента RU 2565624:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт горного дела и металлургии цветных металлов. ФГУП "Гипроцветмет" (RU)
Группа изобретений относится к добыче полезных ископаемых через вскрывающие месторождение скважины. Способ скважинной гидродобычи рыхлых руд заключается в бурении вскрывающих скважин, установке обсадных труб, оснащении скважин рабочими снарядами, восходящей выемке полезного ископаемого с последующей закладкой объема выемки руды, подаче в очистное пространство по трубопроводам сжатого воздуха, рабочей среды и закладочной смеси. При этом разрушение руды производят путем создания в рабочей среде попеременно повышенного и пониженного давления с помощью пневмоимпульсов. Выемку руды ведут по высоте на величину проектной высоты камеры, после чего рабочий снаряд поднимают на эту высоту, производят разрушение участка обсадной трубы на уровне проектной высоты камеры, камеру заполняют закладочной смесью и в такой последовательности отрабатывают запасы руды на всю мощность месторождения, вскрытого скважиной. Обеспечивается увеличение площади очистного пространства, приходящейся на одну скважину, интенсификация разрушения руды, снижение потерь при добыче, повышение технологических возможностей скважинной гидродобычи. 3 н.п. ф-лы, 12 ил.
Способ и устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд могут быть использованы в горнодобывающей промышленности, например при отработке рыхлых руд с небольшой и большой глубиной залегания.
Известные способы скважинной гидродобычи (В.Ж. Аренс. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. М., «Недра», 1975). Способы включают разбивку месторождения по площади на отдельные выемочные единицы (панели, секции, блоки), бурение скважин для подачи рабочей среды и выдачи пульпы или раствора, подачу под давлением рабочей среды по скважинам в отрабатываемые слои, выдачу пульпы или раствора. Недостатком известных способов является низкое извлечение полезного ископаемого из недр, что значительно снижает технологические возможности способов.
Известны способы скважинной добычи с созданием трещиноватости с помощью взрывных работ, проводимых из скважин (Л.И.Лунев. Шахтные системы разработки месторождений урана подземным выщелачиванием. М., Энергоиздат, 1982). Недостатком их является малая зона действия скважинного рассредоточенного заряда, что снижает технологические возможности способа.
Наиболее близкими аналогами являются технические решения по а.с.SU 1583608 и по патенту RU 2032075.
Первое состоит из трубопроводов для подачи в очистное пространство рабочей среды и сжатого воздуха, обсадных труб в скважинах для выдачи руды на поверхность, пневмоимлульсного устройства, размещенного над скважиной, от которого в зону очистных работ проложен патрубок. Недостатками такого технического решения являются: наличие промежуточного элемента между пневмопульсаторами и столбом жидкости в скважине в виде гидроимпульсного устройства, что снижает эффективность применения пневмопульсаторов; выдача руды на поверхность с помощью напора воды связана с большими потерями последнего из-за утечек воды в руду.
Второе техническое решение по патенту RU 2032075 (способ скважинной гидродобычи) включает бурение скважины, спуск воздухопроводной, перфорированной пульпоподъемной и центральной агентоподающей труб, установку оголовка с патрубками для подачи воздуха, рабочего агента и отвода пульпы, вскрытие проектного интервала скважины и расположение конца агентоподающей трубы ниже конца трубы для подъема пульпы. Подают сжатый воздух и агент с выносом руды на поверхность и образованием камеры. Разрушение руды производят прекращением подачи воздуха и агента в пласт и резким сбрасыванием воздуха в атмосферу по трубам для подачи воздуха и отвода пульпы. Недостатком способа является прерывистость выдачи пульпы на поверхность.
Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей скважинной гидродобычи руд.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе скважинной гидродобычи рыхлых руд, включающем бурение вскрывающих скважин, установку обсадных труб и размещение в них рабочего снаряда с центраторами, восходящую выемку полезного ископаемого с последующей закладкой объема выемки руды, подачу в очистное пространство рабочей среды, разрушение руды производят путем создания в рабочей среде попеременно повышенного и пониженного давления, выемку руды ведут по высоте на величину проектной высоты камеры, после чего рабочий снаряд поднимают на эту высоту, производя разрушение обсадной трубы на уровне проектной высоты камеры, камеру заполняют закладочной смесью и в такой последовательности отрабатывают запасы руды на всю мощность месторождения, вскрытую скважиной. Устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд состоит из трубопроводов для подачи в очистное пространство рабочей среды и сжатого воздуха, обсадных труб в скважинах для выдачи руд на поверхность, пневмоимпульсного устройства, размещенного над скважиной, от которого в зону очистных работ проложен патрубок, устройство снабжено трубопроводом для подачи в очистное пространство закладочной смеси, а пневмоимпульсное устройство содержит выполненную с возможностью подвода сжатого воздуха емкость, внутри которой содержится пусковой механизм, состоящий из пневмоцилиндра, поршня со штоком, клапана и крышки пневмоцилиндра с отверстием для пропуска патрубка взону очистных работ, при этом обсадная труба в зоне очистной выемки разделена на отрезки, равные по высоте проектной высоте камер, которые соединены между собой муфтами из хрупкого материала.
Устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд состоит из трубопроводов для подачи в очистное пространство рабочей среды и сжатого воздуха, пневмоимпульсного устройства, расположенного в зоне очистных работ, устройство снабжено трубопроводом для подачи в очистное пространство закладочной смеси, оградительной трубой, в которой проложены трубопроводы сжатого воздуха для выдачи пульпы на поверхность и закачки сжатого воздуха в пневмримпульсное устройство, являющееся продолжением оградительной трубы, над пневмоимпульсным устройством установлен магнитострикционный толкатель, к которому проложен кабель, толкатель выполнен с возможностью приведения в действие клапана, зафиксированного в седле стаканом и пружиной, упирающейся в упоры, закрепленные в пневмоимпульсном устройстве, при этом пневмоимпульсное устройство снабжено отражателем в нижней части, а обсадная труба в зоне очистной выемки разделена на отрезки, равные по высоте проектной высоте камер, которые соединены между собой муфтами из хрупких материалов.
Изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-12:
- на фиг. 1 показана схема разработки рыхлых руд на глубине, на которой гидростатическое давление рабочей среды не превышает давление, создаваемое стандартными компрессорными станциями горнодобывающих предприятий (0,8 МПа);
- на фиг. 2 представлен план размещения скважин и трубопроводов на участке месторождения;
- на фиг. 3 показан разрез по линии размещения скважин с пневмоимпульсными устройствами (ПУ), установленными над скважинами;
- на фиг. 4 - разрез по линии пульповыдающих скважин;
- на фиг. 5 - разрез по линии скважин при варианте размещения ПУ над скважинами с одновременным оснащением скважин рабочими снарядами;
- на фиг. 6 показан продольный разрез по рабочему снаряду в обсадной трубе;
- на фиг. 7 - поперечный разрез по рабочему снаряду ниже толкателя;
- на фиг. 8 - то же по ПУ;
- на фиг. 9 - то же, ниже выпускного клапан;
- на фиг. 10, 11, 12 показаны стадии разработки залежей рыхлых руд на большой глубине соответственно: отработка самой нижней части залежи; подъем рабочего снаряда до уровня верхней проектной отметки отработанной камеры; отсоединение нижнего отрезка обсадной трубы и закладка камеры.
Способ и устройство для скважинной добычи рыхлых руд включает бурение скважин 1 до рудной залежи 2, размещение в скважинах обсадных труб 3, прокладку на поверхности пульпопроводов 4, трубопроводов для подачи рабочей среды 5, сжатого воздуха 6 и закладки 7.
Для разрыхления руды используется ПУ 8, устанавливаемое над скважиной при небольших глубинах залегания залежи (до 30 м) (фиг. 1-5) и в нижней части обсадной трубы при больших глубинах залегания (фиг. 6-12).
В первом случае возможно два варианта функционального использования скважин: раздельное использование скважин - только для подачи пневмоимпульса с целью разрушения руды (фиг. 1-4) и только для выдачи руды; во втором варианте одна и та же скважина может быть использована и для подачи пневмоимпульса в скважинах, и для выдачи руды (фиг. 5).
В первом варианте скважины на поверхности размещаются порядно: один ряд с ПУ, другой ряд для выдачи руды. Во втором варианте каждая скважина оборудуется и ПУ, и устройством для выдачи руды.
Пневмоимпульсное устройство ПУ 8 для добычи руд с небольших глубин включает емкость 9, к которой через трубопровод 6, патрубки 10, 11 и трехходовой кран 12 подводится сжатый воздух. Внутри емкости размещается пусковой механизм, состоящий из пневмоцилиндра 13, поршня 14, штока 15, крышки цилиндра с отверстиями 16, клапана 17.
От последнего через отверстие в крышке 18 обсадной трубы 3 пропущен патрубок 19.
Скважина для выдачи руды оборудуется рабочим снарядом в виде патрубков 20 для подачи сжатого воздуха и 21 для подачи рабочей среды. Патрубок 22 соединяет обсадную трубу 3 с пульпопроводом 4.
При совмещении функций скважин, т.е. при варианте, когда по одной и той же скважине подаются пневмоимпульсы от ПУ 8 и выдается руда. При этом патрубок 19 ПУ, пропускается через воздухопровод 6 и патрубок для подачи воздуха 20. В скважину пропускается также трубопровод 21 для подачи рабочей среды.
Для отработки месторождений на больших глубинах ПУ 8 размещается в скважине 1 в нижней ее части, и оно является продолжением оградительной трубы 23, в которой проложены трубопроводы 24 и 25. Первый имеет выход в ПУ, а второй в кольцевую трубу с отверстиями 26. Над ПУ размещен магнитострикционный толкатель 27, к которому проложен кабель 28. Шток толкателя 29 через шарнир 30, штангу 31, пропущенную через крышку 32 ПУ, шарнир 33, который соединен со штангой 34.
Последняя в свою очередь пропущена через клапан 35 и имеет в нижней концевой части расширение. К клапану 35 жестко присоединен стакан 36, снабженный пружиной 37, контактирующей с упорами 38, закрепленными в корпусе ПУ. Клапан 35 также контактирует с седлом 39. В конце корпуса ПУ установлен отражатель 40.
Нижняя часть обсадной трубы выполнена составной из отдельных отрезков 41, соединенных между собой муфтами 42 из хрупких материалов (чугун и т.д.). Длина отрезков 41 равна проектной высоте камер очистного пространства.
Оградительная труба 23 снабжена центраторами 43, размещенными против соединительных муфт. В межтрубном пространстве размещена также труба 44 для подачи рабочей среды и закладки.
Способ и устройство работают следующим способом.
Выдача руды по скважинам производится традиционным способом.
В варианте с разделением функций скважины 1 для выдачи руды бурят и оснащают обсадными трубами 3 до почвы залежи 2, к этим скважинам подводятся трубопроводы 4, 5 и 6. При одновременной подаче рабочей среды по трубопроводу 5 и сжатого воздуха по трубопроводу 6 в нижней части обсадной трубы происходит размыв рудного массива и выдача отделенных фракций руды по межтрубному пространству в патрубок 22 и далее в пульпопровод 4.
Со временем объем размыва приобретает форму воронки 45, а между воронками остаются гребни 46, размеры которых в традиционной технологии определяют потери руды.
В рядах скважин, через которые производится разрушение руды, скважины 1 бурят и оснащают обсадными трубами 3 до кровли залежи 2. К обсадным трубам через патрубок 22 присоединяют пульпопровод 4. Обсадную трубу закрывают крышкой 18 с отверстием под патрубок 19 ПУ 8. ПУ и патрубок опускают до упора в залежь, затем в емкость 9 ПУ через трубопровод 6, а через патрубки 10 и 11 и трехходовой кран 12 в пусковое устройство 13 (поршневую полость) подается сжатый воздух.
В штоковую полость сжатый воздух попадает через отверстия в крышке 16. Поскольку площадь поперечного сечения поршневой полости больше, чем штоковой, возникает усилие, перемещающее поршень со штоком и клапаном 17 к входу патрубка 19 и запирающее последний. Положение трехходового крана при этом установлено на впуск воздуха в пусковое устройства 13.
При изменении положения трехходового крана на выпуск сжатого воздуха из поршневой полости в атмосферу давление в штоковой полости превысит давление в поршневой полости и тогда поршень 14 начнет двигаться в обратном направлении и через шток 15 откроет клапан 17. Сжатый воздух из емкости 9 поступит в патрубок 19 и произведет ударное действие на рабочую среду, в результате которого в последней возникнет волна повышенного давления, которая создает на границе рабочей среды и горного массива повышенное давление в самом массиве, что приведет к отделению его частиц. Этому будет способствовать также обратная волна давления.
Отделенные от массива частицы руды поступают к устью обсадной трубы 3, где их подхватывает струя рабочей среды, проходящей в зазор между патрубком 19 и обсадной трубой 3 и далее в пульпопровод 4.
При выработке из очистного пространства проектного объема руды ПУ 8 поднимается на высоту отделяемой части обсадной трубы 41, нижний через патрубки 19 устанавливается против соединительной муфты 42, выполненной из хрупкого материала, одним или несколькими пневмоимпульсами последняя разрушается, отрезок обсадной трубы 41 проседает и далее через систему трубопроводов 7 в очистное пространство и подается закладочная смесь 41
Аналогично работают способ и устройство, предназначенные для отработки месторождений на больших глубинах.
Рабочий снаряд вместе с оградительной трубой 23 опускается по обсадной трубе до почвы рудной залежи.
По воздухопроводам 24 и 25 сжатый воздух подается к ПУ 8 и кольцевой трубе с отверстиями 26. За счет истечения сжатого воздуха из кольцевой трубы 26 производится выдача руды на поверхность и одновременно в ПУ 8 производится закачка сжатого воздуха до давления в сети, в результате чего ПУ становится технологически готовой произвести пневмоимпульс. Для этого в магнитострикционный толкатель 27 по кабелю 28 подается напряжение. Сердечник 28 толкателя 27 резко поднимается вверх и через шарнир 31, штангу 32, другой шарнир 33 и шток с выступом 34 поднимает клапан 35, до того зафиксированный в седле 36 стаканом 37 и пружиной 38, упирающейся в упоры 39.
Сжатый воздух через зазор между клапаном 35 и седлом 39 вытекает к отражателю 40, выходит за пределы рабочего органа, создавая в рабочей среде волну повышенного давления, которое производит разрушающее воздействие на массив рыхлой руды. При снятии напряжения сердечник 29 толкателя 27 возвращается в исходное положение, при этом пружиной 38 через стакан 36 клапан 35 фиксируется в седле 39 строго по оси ПУ.
Отделенная руда поступает к устью обсадной трубы 3 и далее на поверхность.
В процессе работы устройства рабочий орган стабилизируется в обсадной трубе центратором 41, который в свою очередь предотвращает преждевременное смещение отрезка 42 в плоскости соединительной муфты.
Отделение отрезка 42 обсадной трубы происходит по вышеописанной схеме.
После отделения отрезка трубы производится заполнение отработанного пространства закладкой.
Предположенные способ и устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд позволяют увеличить площадь очистного пространства, приходящуюся на одну скважину; интенсифицировать процесс разрушения руды, последовательно отрабатывать и закладывать залежи в восходящем порядке несколькими ярусами, снизить потери при добыче и исключить из состава закладочных смесей вяжущие и т.д. Все это повышает технологические возможности скважинной гидродобычи.
1. Способ скважинной гидродобычи рыхлых руд, включающий бурение вскрывающих скважин, установку обсадных труб, оснащение скважин рабочими снарядами, восходящую выемку полезного ископаемого с последующей закладкой объема выемки руды, подачу в очистное пространство по трубопроводам сжатого воздуха, рабочей среды и закладочной смеси, отличающийся тем, что разрушение руды производят путем создания в рабочей среде попеременно повышенного и пониженного давления с помощью пневмоимпульсов, выемку руды ведут по высоте на величину проектной высоты камеры, после чего рабочий снаряд поднимают на эту высоту, производят разрушение участка обсадной трубы на уровне проектной высоты камеры, камеру заполняют закладочной смесью и в такой последовательности отрабатывают запасы руды на всю мощность месторождения, вскрытую скважиной.
2. Устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд, состоящее из трубопроводов для подачи в очистное пространство рабочей среды и сжатого воздуха, обсадных труб в скважинах для выдачи руд на поверхность, пневмоимпульсного устройства, размещенного над скважиной, от которого в зону очистных работ проложен патрубок, отличающееся тем, что устройство снабжено трубопроводом для подачи в очистное пространство закладочной смеси, а пневмоимпульсное устройство содержит выполненное с возможностью подвода сжатого воздуха емкость, внутри которой содержится пусковой механизм, состоящий из пневмоцилиндра, поршня со штоком, клапана и крышки пневмоцилиндра с отверстием для пропуска патрубка в зону очистных работ, при этом обсадная труба в зоне очистной выемки разделена на отрезки, равные по высоте проектной высоте камер, которые соединены между собой муфтами из хрупкого материала.
3. Устройство для скважинной гидродобычи рыхлых руд, состоящее из трубопроводов для подачи в очистное пространство рабочей среды и сжатого воздуха, пневмоимпульсного устройства, расположенного в зоне очистных работ, отличающееся тем, что устройство снабжено трубопроводом для подачи в очистное пространство закладочной смеси, оградительной трубой, в которой проложены трубопроводы сжатого воздуха для выдачи пульпы на поверхность и закачки сжатого воздуха в пневмоимпуьсное устройство, являющееся продолжением оградительной трубы, над пневмоимпульсным устройством установлен магнитострикционный толкатель, к которому проложен кабель, толкатель выполнен с возможностью приведения в действие клапана, зафиксированного в седле стаканом и пружиной, упирающейся в упоры, закрепленные в пневмоимпульсном устройстве, при этом пневмоимпульсное устройство снабжено отражателем в нижней части, а обсадная труба в зоне очистной выемки разделена на отрезки, равные проектной высоте камер, которые соединены между собой муфтами из хрупкого материала.
