Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Технология скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, доктора технических наук, Хрулев, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ современного состояния и особенности применения технологии СГД при разработке россыпей 9 1.1 Современное состояние технологии выемки и технических средств скважинной гидродобычи полезных ископаемых

1.2. Особенности СГД при разработке россыпей

1.3. Анализ исследований технологических процессов с учетом особенностей разработки погребенных россыпей

2. Исследование технологических процессов выемки при разработке россыпей способом СГД

2.1. Исследование параметров гидромониторной струи из кольцевой насадки

2.2. Исследование процессов гидравлического разрушения золотосодержащих пород

2.3. Исследования по доставке песков в камере

2.4. Исследования по подъему песков из скважины

3.Исследование технологических схем выемки и параметров систем разработки при скважинной гидродобыче золота

3.1. Исследования технологических схем выемки песков из россыпей малой мощности

3.2. Исследование технологических схем выемки из мощных россыпей

3.3. Классификация систем разработки многолетнемерзлых россыпей

3.4. Методики расчета параметров выемки при разработке мерзлых погребенных россыпей способом СГД

4. Оборудование скважинной гидродобычи

4.1. Состав оборудования скважинного гидродобычного комплекса

4.2.Испытания скважинного оборудования при разработке россыпей

5. Проектирование технологических комплексов при разработке мерзлых россыпей

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Технология скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей"

Скважинная гидродобыча (СГД) является одной из физико-химических геотехнологий, осуществляемых через скважины с помощью гидравлической энергии, используемой для разрушения горных пород, доставки разрушенных пород к скважине и подъема их на поверхность.

Основные преимущества СГД: низкие капитальные вложения при отработке глубокозалегающих пластов, возможность применения мобильного и автономного скважинного гидродобычного комплекса, использование серийного технологического оборудования (буровые станки, насосы, компрессоры с электрическим и дизельным приводом), более высокий уровень безопасности при производстве горных работ.

Сырьевой базой для СГД являются месторождения, представленные легко разрушаемыми породами, к которым относятся осадочные месторождения строительных и стекольных песков, золота, алмазов, олова, титана, фосфоритов, урана, мягкие бокситовые и марганцевые руды, зоны выветривания железистых кварцитов, месторождения угля и битуминозных песчаников и т.п.

По своим горно-геологическим условиям россыпные месторождения являются наиболее благоприятными объектами для скважинной гидродобычи. Продуктивный пласт в них представлен легко разрушаемыми несвязными или слабо связными породами, талые россыпи обычно обводнены, что позволяет применять для подъема песков высокопроизводительное эрлифтное оборудование, мерзлые россыпи имеют преимущество устойчивой кровли продуктивного пласта, что позволяет извлекать из скважины значительные объемы песков, покрывающие породы относятся к III -IV категории буримости, что делает относительно недорогим бурение по этим породам.

В последнее время выявлены и разведываются все новые погребенные месторождения золота, залегающие на глубине от 40 до 250 м. Содержание в них металла нередко достигает десятков грамм на квадратный метр пласта, что делает эти россыпи весьма перспективными для отработки способом СГД. Запасы золота на этих месторождениях достигают нескольких десятков тонн. Так, прогнозные запасы в погребенных россыпях Бодайбинского района составляют более тысячи тонн золота. На фоне сокращения запасов для отработки открытым и дражным способом и больших технических трудностей, значительных капиталовложений и эксплуатационных затрат при подземной разработке талых погребенных россыпей, возрастают перспективы золотодобычи способом СГД. В отличие от открытого и подземного способа, мобильные комплексы СГД обеспечат рентабельную добычу даже на небольших по запасам золота погребенных россыпях.

Все это говорит об актуальности создания эффективной технологии скважинной гидродобычи полезных ископаемых из россыпных месторождений.

Развитие технологии СГД неразрывно связано с созданием скважинного добычного оборудования, обеспечивающего эффективность технологии выемки в конкретных горно-геологических условиях, и, как свидетельствует вся история развития скважинной гидродобычи, эти два направления требуют совместной разработки.

Цель работы - установление закономерностей изменения параметров технологии добычи золотосодержащих песков от комплекса горно-геологических факторов и теплофизических свойств мерзлых золотосодержащих и покрывающих пород для разработки рациональных вариантов и обоснования параметров технологии скважинной гидродобычи золота, обеспечивающих эффективную и безопасную разработку погребенных многолетнемерзлых россыпей.

Идея работы заключается в использовании тепло-массообменных процессов в технологии скважинной гидродобычи золота и выявлении на основе теплофизических свойств мерзлых золотосодержащих и покрывающих пород закономерностей изменения параметров выемки золотосодержащих песков способом СГД из погребенных россыпей.

Основные задачи исследований:

1. Анализ технологических и конструктивных решений по СГД и разработка систематизации технологических операций скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей.

2. Определение параметров струи из кольцевой насадки для повышения эффективности работы скважинного гидромонитора.

3. Установление закономерностей гидравлического разрушения мерзлых золотосодержащих осадочных пород в затопленных и незатопленных условиях.

4. Установление закономерностей гидравлического разрушения песчано-глинистых сланцев струями среднего давления.

5. Установление закономерностей гидравлической доставки золотосодержащих песков в добычных камерах.

6. Усовершенствование методик расчета параметров подъема гидросмеси пород с различной плотностью и крупностью.

7. Обоснование выбора технологических схем скважинной гидродобычи и разработка методик расчета параметров выемки в зависимости от горногеологических условий погребенных многолетнемерзлых россыпей.

8. Обоснование выбора конструктивных решений скважинного гидродобычного оборудования в зависимости от горно-геологических условий россыпных месторождений.

9. Разработка рекомендаций по унификации проектных решений по скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей.

Методы исследования

В работе использован комплекс научных методов, включающий обобщение производственного опыта скважинной гидродобыче полезных ископаемых с учетом горно-геологических условий погребенных многолетнемерзлых россыпей, методы физического моделирования, математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа, лабораторные и натурные эксперименты в производственных условиях, выполненные по апробированным и разработанным автором методикам.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. При выемке золотосодержащих песков из маломощных мерзлых россыпей способом СГД определяющим процессом является гидромониторный размыв пород незатопленной струей, а при разработке мощных многолетнемерзлых россыпей - тепло-массообменный процесс в затопленной камере.

2. Экспериментально обоснована гипотеза, согласно которой механизм гидромониторного разрушения мерзлых осадочных пород заключается в понижении их прочности в результате теплообмена между струей и мерзлым массивом до величины, при которой происходит разрушение мерзлых пород под действием кинетической энергии струи.

3. При размыве мерзлых осадочных пород в затопленных и незатопленных условиях дальность и производительность разрушения зависят от температуры воды и мерзлых пород, а также от их льдистости.

4. При разработке мощных многолетнемерзлых россыпей на основе водно-теплового оттаивания пород в затопленной камере, ее форма и производительность добычи по пескам определяются уровнем подачи воды в подземной камере.

5. Интенсивность тепло-массообмена в затопленной гидродобычной камере определяется радиусом камеры и потерями тепла при подъеме гидросмеси песков по скважине на поверхность.

6. При гидроэлеваторном подъеме крупнообломочных пород производительность подъема не зависит от угла наклона плоскости входа в камеру смешения в диапазоне от 0 до 45°, при этом с возрастанием угла наклона снижается вероятность заклинивания в камере смешения негабаритных кусков породы.

7. Увеличение производительности и высоты гидроэлеваторного подъема достигается применением эжектирующей струи из кольцевой насадки.

Научная новизна работы:

- впервые установлено, что размыв мерзлых песков струями среднего давления происходит в результате совместного теплового и механического воздействия струи на забой, при этом с повышением температуры воды, при теплообмене с мерзлыми породами, понижается прочность мерзлых песков, что увеличивает скорость размыва; выявлены впервые закономерности изменения дальности и производительности размыва мерзлых осадочных пород струями среднего давления в затопленных и незатопленных условиях в зависимости от диаметра насадки, давления воды, температуры воды и породы, льдистости песков, что позволяет рассчитать параметры гидромониторного разрушения при СГД; впервые установлены закономерности изменения дальности и производительности гидромониторного разрушения песчано-глинистых сланцев разной степени трещиноватости струями среднего давления от диаметра насадки, давления воды и направления трещиноватости, что позволяет обосновать параметры подработки и зачистки плотика подземной камеры при СГД; впервые установлены закономерности изменения дальности и производительности смыва золотосодержащих крупнообломочных пород струями среднего давления от диаметра насадки (10-40 мм) и давления воды (0,5-2,5 МПа), являющиеся основой для определения параметров процесса доставки песков в подземной камере к скважинному гидроэлеватору;

- разработана методика обоснования параметров технологии скважинной гидродобычи золота из маломощных многолетнемерзлых погребенных россыпей, в основе которой лежит определение расходно-напорных характеристик подъема и размыва песков для получения максимального объема добычи из подземной камеры;

- при разработке мощных многолетнемерзлых россыпей впервые выявлены закономерности изменения формы подземных камер при водно-тепловом оттаивании пород от уровня подачи воды в камеру и обоснована зависимость изменения производительности по пескам в процессе отработки камеры от затрат тепла на оттаивание и нагревание породы и теплообмен в скважине при подъеме гидросмеси песков на поверхность;

- разработана методика обоснования технологических параметров выемки песков из мощных погребенных россыпей, основанная на определении характеристик процесса оттаивания, размыва и эрлифтного подъема песков в затопленной камере;

- разработаны научные основы систематизации технологических операций и систем разработки погребенных многолетнемерзлых россыпей способом СГД, позволяющей выбрать эффективную технологию для конкретных горногеологических условий россыпи.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- представительным объемом экспериментальных данных, полученных при опытно-промышленном испытании технологии СГД (работы проводились на четырех опытных участках прииска «Экспериментальный» с различными горногеологическими условиями залегания мерзлых россыпей в течение 6 лет);

- удовлетворительной сходимостью расчетных параметров технологических процессов скважинной гидродобычи золотосодержащих песков с натурными данными при проведении опытных работ по скважинной гидродобыче золотосодержащих песков (отклонение расчетных параметров технологических процессов размыва мерзлых осадочных пород, гидромониторного разрушения песчано-глинистых сланцев и доставки крупнообломочных пород в камере от экспериментальных данных не превышает 15-20%);

- положительными результатами опытно-промышленных испытаний технологии и оборудования СГД на горнодобывающих предприятиях Магаданской области, Чукотской А.О., Якутия, Иркутской и Омской областях.

Научное значение работы состоит в разработке методологической базы для обоснования вариантов и параметров скважинной гидродобычи и систем разработки золотосодержащих песков из погребенных многолетнемерзлых россыпей.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработаны, запатентованы и испытаны в опытно-промышленных условиях технологические схемы скважинной гидродобычи золота из погребенных маломощных и мощных многолетнемерзлых россыпей.

2. Разработаны методики обоснования технологических параметров выемки золотосодержащих песков из маломощных и мощных мерзлых погребенных россыпей.

3. Разработан, запатентован и испытан на различных горнодобывающих предприятиях комплекс скважинного гидродобычного оборудования для добычи песков из погребенных россыпей с различными горно-геологическими условиями.

4. Результаты исследований реализованы в проектах эффективной отработки погребенных многолетнемерзлых россыпей малой и большой мощности.

Реализация результатов работы.

Разработанные в диссертационной работе технология скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей, методики расчета параметров выемки золотосодержащих песков и конструктивные параметры скважинного гидродобычного оборудования использованы в проектах отработки полигона месторождения «Ручей Болотный-Раковский».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и получили одобрение на: The International Arctic Technology Conference held in Anchorage, Alaska, USA, May 29-31,1991; на конференции SMRI, Spring meeting Krakow, Poland, May 11-14, 1997; на научных конференциях в рамках «Дня горняка» в МГГУ, Москва (1998-2002); при рассмотрении проектов на предприятиях ОАО «Якутзолото», ОАО «Северовостокзолото», Итера, ВНИИ-1.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 31 печатной работе, в том числе в 11 изобретениях.

Хочу выразить искреннюю благодарность моему научному консультанту и учителю профессору Аренсу Виктору Жановичу и многим моим коллегам, поддержавшим меня при выполнении данной работы: профессору Смирному Вячеславу Ивановичу, Генеральному директору ОАО «Северовостокзолото» Брайко Валерию Николаевичу, директору ВНИИ-1 Лаврову Николаю Платоновичу, д.т.н. Хчеяну Георгию Хачатуровичу, к.т.н. Шпаку Дмитрию Николаевичу, к.т.н. Исмагилову Бурзяну Валиахметовичу, конструктору многих скважинных снарядов Старикову Владимиру Александровичу, профессору Бабичеву Николаю Игоревичу, профессору Малухину Николаю Григорьевичу и многим специалистам, с кем вместе мы решали проблемы скважинной гидродобычи.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Хрулев, Александр Сергеевич

Выводы по главе 4

1. Для разработки мощных многолетнемерзлых россыпей рекомендуется использовать скважинный гидродобычной агрегат совмещенного эрлифтно-гидромониторного типа.

2. Разработаны и испытаны два варианта скважинных гидродобычных агрегатов для разработки мощных многолетнемерзлых россыпей: со свободной пульпоподъемной колонной (при большой крупности разрабатываемых песков) и с подвижным всасывающим наконечником (для песков малой крупности: касситеритовых, циркониевых).

3. Для разработки маломощных мерзлых россыпей рекомендуется использовать раздельные гидродобычные агрегаты: скважинный гидромониторный агрегат и скважинный гидроэлеваторный агрегат.

4. Скважинный гидромониторный агрегат состоит из секционного скважинного снаряда с выводным стволом и платформы управления, обеспечивающей вращение снаряда в скважине, вывод ствола из вертикального в горизонтальное положение и перемещение снаряда по мощности продуктивного пласта.

146

5. Испытания различных конструкций гидроэлеваторных снарядов позволили разработать для условий многолетнемерзлых золотосодержащих россыпей снаряд с увеличенным диаметром камеры смешения, особой формой приемной горловины, значительно снижающей вероятность ее забивания, и специальной насадкой для удаления крупнообломочного материала из зумпфа вокруг снаряда. Для повышения надежности и производительности при подъеме крупнообломочного материала снаряд устанавливается на специальную платформу, обеспечивающую его перемещение в скважине с малой амплитудой.

6. В результате проведенных конструкторских и опытно-промышленных работ был разработан и испытан скважинный гидродобычной комплекс обеспечивающий отработку многолетнемерзлых погребенных россыпей большой и малой мощности.

5. Проектирование технологических комплексов при разработке мерзлых россыпей

Проектирование скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей обычно разделяется на три этапа: бизнес-план, технико-экономическое обоснование на разработку россыпного месторождения способом СГД для получения лицензии и рабочий проект.

С учетом специфики разработки россыпей способом СГД рекомендуется следующий порядок проектирования. Из анализа горно-геологической обстановки на основе разработанной систематизации технологических операций и систем разработки (раздел 3.3) выбирается способ вскрытия месторождения (конструкция эксплуатационной скважины) и буровое оборудование. Выбирается технологическая схема подготовки, выемки и тип скважинного гидродобычного оборудования.

После этого производится расчет параметров технологических процессов выемки по разработанным методикам (Раздел 3.4).

Определяются параметры работы скважинного гидродобычного агрегата: производительность, объем добычи из скважины, время отработки камеры и время монтажа и демонтажа оборудования.

Выбирается схема обогащения и обогатительное оборудование.

Разрабатывается схема водоснабжения, выбирается технологическое оборудование и схема энергоснабжения.

Определяются виды работ: подготовка полигона (бурение, добыча, ликвидация скважин и т.д.), способы и порядок их выполнения.

Определяются основные показатели работы предприятия: годовая мощность, время отработки месторождения и извлечение полезного ископаемого.

Выполненные исследования по технологии скважинной гидродобычи легли в основу проектов скважинной гидродобычи золота из погребенной маломощной россыпи руч. Куранах и мощной мерзлой россыпи ручья Болотный в Магаданской области. Ниже приведены основные технологические решения и параметры работы добычного комплекса СГД, принятые в проектах на разработку этих месторождений.

Месторождение ручья Куранах

Россыпь на нижнем участке ручья Куранах прииска «Экспериментальный» залегает на глубине 20-25 м и имеет мощность 2 м. Пласт песков представлен аллювиальными глинисто-щебневыми отложениями с подчиненным количеством гравийно-галечного материала. Характеристика песков по фракциям следующая: глина 30%, песок-15%, дресва-15%, гравий-10%, щебень-20%, галька-10%, валуны и глыбы единичны. Фракция +100 мм составляет 10%. Температура пород продуктивного пласта -6°С, льдистость 200 кг/м3. Покрывающие породы представлены суглинком и гравийно-галечными отложениями со щебнем и суглинистым заполнителем.

Вскрытие месторождения производится скважинами диаметром 470 мм для монтажа в них гидроэлеваторного снаряда и скважинами 250 мм для монтажа гидромониторных снарядов. Бурение производится ударно-канатными станками в зимний период (с октября по апрель). Скважины в верхней части обсаживаются трубами 500 мм и 273 мм на глубину 5 м для предохранения от поверхностных вод при сезонной оттайке. Один ударно-канатный станок бурит в месяц 6 скважин диаметром 470 мм или 8 скважин диаметром 250 мм при двухсменной непрерывной работе.

При отработке полигона принята панельная система разработки с оставлением панельного целика шириной Зм. Ширина панели 15 м.

Гидроэлеваторные скважины бурятся по оси панели через 15 м друг от друга. Гидромониторные скважины бурятся по краям панели вдоль целиков через 15 м друг от друга таким образом, чтобы гидроэлеваторные скважины находились в центре квадратов, образованных гидромониторными скважинами (рис.3-3)

При отработке панели первоначально у первой гидроэлеваторной скважины бурится гидромониторная скважина на расстоянии 1,5-2 м от нее и производится сбойка скважин между собой. Затем из гидроэлеваторной скважины проходятся сбоечные выработки с крайними гидроэлеваторными скважинами блока. После сбоек в этих скважинах устанавливаются гидромониторные агрегаты и производится отработка первой половины квадратной камеры попутным забоем. В конце отработки проходятся сбоечные выработки со следующей парой гидромониторных скважин, в которые монтируются скважинные гидромониторные агрегаты, с помощью которых отрабатывается вторая половина первой квадратной камеры и первая половина второй квадратной камеры на вторую гидроэлеваторную скважину. Так отрабатывается вся панель.

Общая технологическая схема участка предусматривает оборотное водоснабжение. Вода из водозаборного бассейна двумя последовательно установленными насосами 12НДс подается на гидромониторные и гидроэлеваторный агрегаты, а поднимаемая гидроэлеваторным снарядом пульпа поступает в бункер землесосной установки 12Гру-8 и транспортируется по трубопроводу на промприбор. Пески после промывки складируются в эфельном отвале, в вода возвращается в водозаборный бассейн.

Технологическая схема выемки предусматривает отработку камер попутным забоем. Расстояние между гидромониторной и гидроэлеваторной скважиной 10,5 м. При давлении на насадке 2 МПа и диаметре насадки 30 мм производительность разрушения составит 18 м3/ч, а максимальная дальность около 15 м. В работе поочередно находятся два гидромониторных агрегата и один гидроэлеваторный. Единичный объем добычи, приходящийся на эти три скважины 450 м3.

В состав скважинного гидродобычного комплекса входят 2 гидроэлеваторных агрегата (один в работе, один в монтаже) и 4 гидромониторных агрегата (два в работе и два в монтаже), что позволяет вести практически непрерывную добычу в течение 20 часов в сутки (4 часа на перестановку землесосной установки и подключение агрегатов к водоводу при съемке золота на промприборе), землесосная установка и автокран для монтажа и демонтажа агрегатов в скважинах.

Технические показатели работы комплекса СГД

1.Расход воды на размыв пласта 360 м3/ч

2. Расход воды на подъем гидросмеси гидроэлеватором 1200 м3/ч

3. Производительность комплекса по пескам часовая 22 м3 суточная 450 м3

4. Время монтажа: гидромониторного агрегата 6 часов гидроэлеваторного агрегата 6 часов землесосной установки 3 часа

5. Высота подъема 30 м

6. Максимальный размер поднимаемых песков до 150 мм

7. Сезонная производительность комплекса по пескам 50 тыс. м3

Списочный состав трудящихся, обслуживающих комплекс 30 человек в зимний период (бурение скважин) и 20 человек в летний промывочный период.

Себестоимость добычи 1 м3 песков составляет 8 usd и рассчитана исходя из суточной добычи 450 м3 песков через 3 эксплуатационные скважины

Заключение

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основе выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по разработке технологии скважинной гидродобычи золота из погребенных многолетнемерзлых россыпей, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие золотодобывающей промышленности экономики страны.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований состоят в следующем:

1. На основе анализа опыта применения скважинной гидродобычи полезных ископаемых определены основные горно-геологические факторы, определяющие параметры технологических процессов и выбор конструкции скважинного оборудования при разработке погребенных россыпей. Определены благоприятные и неблагоприятные горно-геологические условия залегания золотосодержащих россыпей при их разработке способом СГД. Определяющими эффективность применения способа СГД являются: содержание золота и его запасы, мерзлое состояние песков и льдистость, мощность продуктивного пласта, проникновение золота в подстилающие коренные породы, валунистость.

2. Установлено соотношение тепловой и механической составляющих затрат энергии при разрушении мерзлых осадочных пород струями среднего давления. Затраты тепловой энергии при расходе воды 250 м3/ч и начальном давлении незатопленной струи 2,3 МПа в зависимости от льдистости пород составляют от 48 до 77%, при этом расходуется от 3 до 10% тепловой энергии струи.

Установлено, что размыв мерзлых песков струями среднего давления происходит в результате совместного теплового и механического воздействия струи на забой, при этом с повышением температуры воды при теплообмене с мерзлыми породами понижается прочность мерзлых песков на контакте со струей, что увеличивает скорость размыва.

3. При размыве мерзлых осадочных пород струями среднего давления получены зависимости изменения дальности и производительности разрушения от времени размыва. По результатам натурных и модельных исследований получена эмпирическая формула для расчета дальности размыва мерзлых песков незатопленными гидромониторными струями от диаметра насадки гидромонитора, начального давления воды, льдистости, температуры пород и температуры струи. Получена эмпирическая формула для определения производительности разрушения на расстоянии эффективной дальности размыва, равной 0,8 от максимальной дальности.

4. Аналогичные исследования проведены при размыве мерзлых осадочных пород затопленными гидромониторными струями. Получены эмпирические формулы для расчета дальности и производительности разрушения мерзлых пород затопленными струями. Установлено, что дальность размыва затопленной гидромониторной струей в 3 раза меньше, чем при размыве незатопленной струей. Производительность разрушения в затопленных условиях на расстоянии 0,8 1-макс примерно равна производительности размыва незатопленной струей, что связано с эффективным теплообменом в затопленной камере.

5. Натурные исследования по разрушению песчано-глинистых сланцев, подстилающих аллювиальные отложения и часто являющихся золотоносными, позволили получить зависимости дальности и производительности разрушения от времени размыва для пород различной степени трещиноватости.

На основании проведенных исследований получены эмпирические формулы для расчета дальности и производительности песчано-глинистых сланцев от давления воды и диаметра насадки для разборного и трудно разборного плотика по классификации С.М.Шорохова. Так, при давлении воды 2,25 МПа и диаметре насадки 40 мм, дальность разрушения разборного плотика составила 26 м, а для трудно разборного -12 м.

6. Определено, что при увеличении угла между осью струи и направлением трещиноватости от 0 до 90°, дальность и производительность размыва уменьшаются на 15-20%, при этом так же уменьшается крупность отбиваемых пород.

При разрушении трудно разборного плотика увеличивается крупность разрушаемых пород. Максимальный размер куска пород составляет 30-40 см при среднем размере 8-12 см. После разрушения и зачистки плотика гидромониторной струей остается щетка высотой до 3-5 см.

7. Установлены зависимости изменения дальности и производительности при смыве крупнообломочного золотосодержащего материала (до 150 мм) от времени смыва.

При высоте смываемого слоя пород 0,5 м, удельный расход воды на смыв составил 4 м3/м3 на расстоянии эффективной дальности доставки, равной 0,8 от максимальной дальности. Для определения расхода воды на доставку при меньшей дальности транспортирования была получена эмпирическая зависимость удельного расхода воды на доставку от осевой скорости струи и высоты смываемого слоя пород.

8. Особенность подъема золотосодержащих песков заключается в большой их крупности, наличии негабаритных включений, размеры которых значительно превышают проходные сечения пульпоподъемной колонны, при относительно невысокой средней плотности поднимаемой гидросмеси (т:ж =1:10). В связи с этим испытано и рекомендовано применение механического рыхления и истирания крупнообломочного материала в зоне всасывания путем перемещения снаряда в скважине, что обеспечивает стабильность всасывания и более высокую производительность подъема крупнообломочных песков.

9. Усовершенствована методика расчета эрлифта для подъема крупнообломочного материала при относительно небольшой плотности гидросмеси и с учетом растворимости и сжимаемости воздуха в пульпоподъемной трубе при больших глубинах подъема.

10. Испытания гидроэлеватора с различными углами между осью струи и плоскостью входного отверстия камеры смешения показали, что при угле 45° вероятность забуторивания гидроэлеватора снижается в 10 раз без заклинивания куска породы в камере смешения после сброса давления воды. При скосе входного отверстия камеры смешения до 45° не происходит уменьшения производительность гидроэлеваторного подъема.

11. Применение гидроэлеватора с кольцевой насадкой позволяет без увеличения расхода и давления воды повысить производительность подъема по гидросмеси на 30-35% или высоту подъема на 30% при неизменном диаметре камеры смешения.

12. Для гидроэлеватора типа ГЭ 170/350 определена напорно-расходная характеристика в безразмерном виде P=f(a) при работе с обычной и кольцевой насадкой, что позволяет повысить точность расчета параметров гидроэлеваторного подъема песков при СГД и открытых горных работах.

13. Натурные испытания на вскрытом полигоне золотосодержащей россыпи показали, что применение технологической схемы выемки встречным забоем возможно при создании уклона плотика в сторону гидромонитора не менее 15%.

В ходе проведения стендовых испытаний при отработке квадратной в плане камеры попутным забоем и диагональном расположении гидромонитора и пульпоподъемника достигнуто высокое извлечение золота, что позволяет сделать вывод о возможности эффективной отработки мерзлой россыпи малой мощности.

Разработана и рекомендована к применению на многолетнемерзлых пластах малой мощности панельная система разработки с расположением гидроэлеваторных скважин по оси панели и гидромониторных скважин по ее краям.

14. Для разработки мощных многолетнемерзлых россыпей на основе модельных и натурных исследований и обработки промышленных данных по созданию резервуаров в мерзлых осадочных породах получены зависимости динамики изменения производительности добычи в процессе отработки камеры. Выполнен тепловой анализ процесса создания подземных камер.

Гидромониторный размыв пласта на первом этапе отработки камеры увеличивает производительность и создает дополнительную поверхность для последующей водно-тепловой оттайки песков.

15. Установлено, что, при разработке мощных многолетнемерзлых россыпей, создание камер правильной цилиндрической формы и заданного пролета обеспечивается при подаче воды на оттайку в нижней части камеры.

Предложенная технология выемки камер в мощных многолетнемерзлых россыпях с применение гидромониторного размыва и переходом на последующую водно-тепловую оттайку песков позволяет увеличить производительность и объем добычи из скважины в 1,6 раза при одинаковом пролете кровли камеры.

16. Предложена система разработки с закладкой камер покрывающими породами при их оттайке. Внедрение данной системы позволит значительно повысить извлечение при отработке мощных россыпей, при этом, данный способ более прост и экономически эффективен по сравнению с традиционной гидравлической закладкой камер хвостами обогащения.

17. На основе опыта СГД и проведенных исследований предложена систематизация технологических операций при скважинной гидродобыче песков из мерзлых россыпей, включающая способы вскрытия, предварительной подготовки мерзлого пласта к выемке, взаимодействие скважин между собой, порядок отработки камер в плане и по вертикали, способы воздействия на продуктивный пласт и способы управления зоной оттайки.

18. Предложена методика расчета параметров выемки мерзлых россыпей, в основе которой лежат параметры подъема: гидроэлеваторного - для маломощных россыпей и эрлифтного - для мощных россыпей. Данная методика может быть использована при проектировании разработки многолетнемерзлых россыпей способом СГД.

19. Для разработки мощных многолетнемерзлых россыпей рекомендуется использовать скважинный гидродобычной агрегат совмещенного эрлифтно-гидромониторного типа.

Разработаны и испытаны два варианта скважинных гидродобычных агрегатов для отработки мощных многолетнемерзлых россыпей: со свободной пульпоподъемной колонной (при большой крупности разрабатываемых песков) и с подвижным всасывающим наконечником (для песков малой крупности: касситеритовых, циркониевых).

20. Для разработки маломощных мерзлых россыпей рекомендуется использовать раздельные гидродобычные агрегаты: скважинный гидромониторный агрегат и скважинный гидроэлеваторный агрегат.

Скважинный гидромониторный агрегат состоит из секционного скважинного снаряда с выводным стволом и платформы управления, обеспечивающей вращение снаряда в скважине, вывод ствола из вертикального в горизонтальное положение и перемещение снаряда по мощности продуктивного пласта.

Испытания различных конструкций гидроэлеваторных снарядов позволили разработать для условий многолетнемерзлых золотосодержащих россыпей снаряд с увеличенным диаметром камеры смешения, особой формой приемной горловины, значительно снижающей вероятность ее забивания, и специальной насадкой для удаления крупнообломочного материала из зоны всасывания. Снаряд устанавливается на специальную платформу, обеспечивающую его перемещение в скважине с малой амплитудой.

21. Технико-экономическое сопоставление затрат при разработке маломощных многолетнемерзлых россыпей способом СГД и традиционными способами показывает, что скважинная гидродобыча более эффективна по сравнению с открытым способом при глубине залегания более 10 м и по сравнению с подземным способом при глубине залегания до 100 м. Для мощных россыпей область эффективного применения скважинной гидродобычи будет при коэффициенте вскрыши более 5.

22. Разработаны типовые проектные решения для выполнения технико-экономической оценки отработки погребенных россыпей способом скважинной гидродобычи с различными горно-геологическими условиями залегания.

23. Комплекс выполненных исследований позволил разработать технологию скважинной гидродобычи, максимально адаптированную горногеологическим условиям погребенных многолетнемерзлых россыпей и создать оборудование, обеспечивающее их эффективную отработку.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Хрулев, Александр Сергеевич, Москва

1. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. М.МГГУ, 2001 г.

2. Арене В.Ж Скважинная добыча полезных ископаемых., М., Недра, 1976.

3. Арене В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М., «Недра», 1980.

4. Арене В.Ж. Методические вопросы исследований в геотехнологии. Выпуск 2, ГИГХС, Люберцы,1979.

5. Арене В.Ж., Шпак Д.Н., Хрулев А.С. и др. Добыча песка и гравия через скважины. «Автомобильные дороги»,№6,1985.

6. Арене В.Ж., Шпак Д.Н., Хрулев А.С. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Авт. свид. СССР № 899967. М.,1981

7. Арене В.Ж., Брюховецкий О.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча угля. Учебное пособие. М., МГРА,1995.

8. Арене В.Ж., Панков Ф.В. и др. Опыт скважинной гидродобычи руд на Шамраевском участке КМА. Горный журнал, №1,1995, с. 23-26.

9. Ю.Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Учебное пособие, изд-во МГРИ, 1981.

10. Бабичев Н.И. Проектирование геотехнологических комплексов. Учебное пособие. М., Изд-во МГРИ, 1985

11. Бабичев Н.И., Тигунов Л.П. Скважинная гидротехнология новый способ освоения земных недр. Материалы 1-го советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Апрель 1991 .Т.1 ,с.7-13

12. Бабичев Н.И. , Николаев А.Н. Скважинная гидротехнология новый способ освоения земных недр. Горный журнал, №1,1995, с. 14-18.

13. Н.Бабичев Н.И., Либер Ю.В., Кройтор Р.В., Левченко Е.Н. Скважинная технология добычи титано-циркониевых песков Тарского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ № 2, 1999г, с.127-128.

14. Бабичев Н.И., Фролов П.А. Опытные работы и проблемы освоения технологии и технических средств скважинной гидродобычи алмазосодержащих кимберлитов Архангельской области. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ № 2, 1999г, с. 129-130.

15. Бабичев Н.И., Либер Ю.В., Абрамов Г.Ю. Интенсификация работы скважин водоснабжения, газа и нефтеотдачи с использованием технических средств скважинной гидротехнологии. Горный информационно-аналитический бюллетень №5 май 2000, с. 82-85.

16. Байков Б.Н., Либер Ю.В. Варианты разработки Малышевского месторождения способом скважинной гидродобычи. Материалы 1-го советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Апрель 1991.Т.1.С.19-21

17. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород.М., Недра, 1975.

18. Балаев В.А., Малухин Н.Г. Физические основы струеформирования при управлении качеством рабочей жидкости. Материалы 1-го советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Апрель 1991.Т.1 ,с.70-71

19. Барон Л.И. Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. М., «Недра», 1968.

20. Берестянский Ю.А., Бобков Ю.П., Сильвестров Л.К. Подземные резервуары в вечномерзлых породах. Газовая промышленность, сентябрь, 1999, с43-44.

21. Богданов Ю.М., Грохотов В.А., Соломаткин А.С. О создании подземного резервуара затопленными струями с вращением водоподающей колонны. «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья», №4, 1985, с. 14-17.

22. Бретош Р.А. Стеценко З.Л., Василенко В.П., драницин Е.С. Исследование процесса гидроразрушения угля с помощью киносъемки. Сб. «Гидравлическая добыча угля», №З.М., ЦНИИТЭИугля, 1966.

23. Бретош Р.А., Стеценко З.А. Гидравлическая добываемость углей Донбасса. В сб. «Гидравличесчкая добыча угля»,№2.М., ЦНИИТЭИуголь, 1963.

24. Васяев Г.М., Гинсбург Ю.М., Пястолов А.Д. Бесшахтные резервуары в мерзлоте. «Газовая промышленность», №12, 1994, с. 10-12.

25. Гефт Ю.Б. Исследование гидромониторной выемки на гидрошахтах Кузбасса. Автореферат канд. диссертации М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1968

26. Гончаренко Е.В., Кошколда К.Н., Кирцов В.В. Результаты опытных работ по созданию противофильтрационных экранов. Материалы 1-го советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Апрель 1991 .Т.1 ,с.47-50

27. Егупов А.А. Повышение эффективности вскрышных работ с помощью гидрополостей. Горный журнал, №5,1980 г.,с. 12-14

28. Журавский A.M. Основные задачи теории разрушения угля струей воды. Зап. ЛГИ, t.XLI, вып. 1, 1959.

29. Записки Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова. Гидромеханизация горных пород, т.41, вып.1.М., Госгортехиздат, 1959.

30. Иванцов О.М. Хранение сжиженных углеводородных газов. Недра, М., 1973.

31. Ильштейн A.M., Либерман Ю.М. и др. Методы расчета целиков и потолочин камер рудных месторождений. М., Наука, 1964.

32. Исмагилов Б.В., Хрулев А.С. Исследование технологии гидравлического разрушения и доставки фосфоритной руды при СГД в затопленной камере. -Проблемы геотехнологии. Тр.ГИГХС, вып.59, М., Недра, 1982.

33. Исмагилов Б.В., Хрулев А.С. Результаты испытания оборудования для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Проблемы геотехнологии. Тр. ГИГХС, вып.59, М., Недра, 19824.

34. Ищук И.Г. Классификация углей Донбасса по их разрушаемости гидромониторной струей. -Сб. «Гидравлическая добыча угля», №1.М., ЦНИИТЭИугля, 1968.

35. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве. М., Стройиздат, 1970.

36. Кротков В.В. Методические основы оценки эрлифтного гидроподъема крупнокусковой алмазосодержащей горной массы с больших глубин. Горный информационно-аналитический бюллетень №5 май 2000, с89-91

37. Кубланов А.В., Каратыгин Е.П., Хрулев А.С. Experience in Mining of Saline and Ore Deposits by Geotechnological Methods. SMRI, Spring 1997 Meeting, Krakow, Poland

38. Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л., Стройиздат, 1973, 408с.

39. Кузнецов Г.Н. Исследование деформаций и давлений, возникающих в многослойной консоли кровли и взаимодействия ее с крепью. Сб. ВНИМИ, ХХХ1У,1960.

40. Кузьмич И.А. О характере разрушения антрацита в массиве струей воды. -Науч. Сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского, вып.60,1968.

41. Кривченко А.А. Экспериментальные исследования гидроотбойки угля на гидрошахтах Донбасса. Сб. «Вопросы добычи угля гидравлическим способом», №30. М.,Госгортехиздат, 1963.

42. Кривченко А.А. Классификация углей Донбасса по сопротивляемости их разрушению гидромониторными струями. Сб. «Гидравлическая добыча угля», №1.М., ЦНИИТЭИугля, 1964.

43. Лавров Н.П., Хрулев А.С. Применение кольцевых насадок в гидромониторах и гидроэлеваторах при промывке песков. «Колыма» январь-март 1996, с.43-45

44. Лукьянченко Е.С., Фищенко В.И. Дистанционная гидроотбойка угля из восстающих скважин на весьма тонких пластах. «Уголь Украины», май, 1986, с.22-23.

45. Материалы II Всесоюзной конференции по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых. 1975.

46. Малухин Н.Г. Перспективные схемы подъема при скважинной гидродобыче богатых железных руд с глубины 800 и более метров. Материалы 1-го советско-югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Апрель 1991.Т.1,с.86-87.

47. Небера В.П., Бабичев Н.И. Геотехнологические способы извлечения полезных ископаемых из недр. М.,Цветметинформация,1975.

48. Никонов Г.П., Кузьмич И.А. и др. Научные основы гидравлического разрушения угля. М., Наука, 1973.

49. Никонов Г.П. Исследования гидравлического разрушения угля. М.,»Наука», 1968.

50. Никонов Г.П. Новая схема гидромониторного разрушения угля и горных пород струей воды высокого давления. Экспресс- информация о передовом опыте, №5 (14).М., ЦНИЭИуголь, 1969.

51. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород.М.,Недра,1978.

52. Рекомендации по струйной технологии сооружения противофильтрационных завес, фундаментов, подготовки оснований и разработки мерзлых грунтов. НИИОСП, М„ 1989.

53. Слесарев В.Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. «Углетехиздат», 1952, с.87-131.

54. Тигунов Л.П. Внедрение физико-химических технологий -кардинальный путь освоения минерально-сырьевых ресурсов в условиях становления рыночной экономики. Горно-информационный бюллетень. МГГУ №2, 1999 с.16-19.

55. Труфанов Д.В., Лейзерович С.Г. и другие Скважинная гидродобыча богатых железных руд КМА проблемы и перспективы. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ №2, 1999 с.102-105

56. Фролов П.А., Либер Ю.В. Опытно-промышленные испытания скважинной гидротехнологии на титаноциркониевых месторождениях. Горный журнал, №1,1995, с. 29-31.

57. Хрулев А.С., Папко В.П., Якунин О.Н. Экспериментальные исследования технологических процессов скважинной гидродобычи золотоносных песков из многолетнемерзлых россыпей. Тр.ВНИИ-1, Магадан, 1988

58. Хрулев А.С., Лавров Н.П., Зайцева О.Д. Перспективы разработки глубокозалегающих россыпей методом скважинной гидродобычи. Сб.научных трудов ЯФ СО АН СССР, Якутск, 1988

59. Хрулев А.С., Папко В.П., Умеренко В.В. Основные направления исследований по скважинной гидродобыче золотосодержащих песков. Сб. Науч. Трудов ВНИИ-1 «Повышение эффективности технологии разработки россыпных месторождений», Магадан, 1989.

60. Хрулев А.С. Способы и средства подъема гидросмеси при скважинной гидродобыче. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ № 2, 1999г, с.112-116.

61. Хрулев А.С., Папко В.П. Особенности отработки подземных камер при скважинной гидродобыче песков из мощных многолетнемерзлых россыпей. Сб.

62. Науч. Трудов ВНИИ-1 «Повышение эффективности технологии разработки россыпных месторождений», Магадан, 1989.

63. Хрулев А.С., Салохин В.И. Струйные технологии на объектах газовой промышленности. «Газовая промышленность», сентябрь, 1999, с.29-30.

64. Хрулев А.С., Папко В.П., Умеренко В.В. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых. А.С. № 1634767 от 06.02.1989.

65. Хрулев А.С. Hydraulic Mining of Permafrost Placers by Boreholes. International Arctic Technology Conference held in Anchorage, Alaska, May 29-31,1991

66. Хрулев A.C., Брайко B.H., Егупов A.A., Стариков К.М., Сурнин О.Н. Устройство для скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Авт. свид. СССР № 1460278, М., 1987.

67. Хрулев А.С., Якунин О.Н., Плотников В.Б. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и агрегат для его осуществления. Авторское свидетельство СССР № 1470960 М., 1988

68. Хрулев А.С., Лавров Н.П. Способ скважинной разработки многолетнемерзлых россыпей. Патент России №2009323 С1 от 25.01.1991.

69. Хрулев А.С., Лавров Н.П., Перльштейн Г.З Способ разработки вечномерзлых россыпей Авторское свидетельство СССР № 1710753

70. Хрулев А.С., Эдельштейн О.А., Шоболова Л.П., Коворова В.В. Способ разупрочнения горных пород и углей Патент России № 2076200 , 1997 г.

71. Хрулев А.С., Мультанов С.И., Эдельштейн О.А., Шоболова Л.П., Коворова В.В. Способ добычи полезных ископаемых. Патент России № 2076209, 1997

72. Хрулев А.С., Ткаченко Н.Ф., Эдельштейн О.А., Джигрин А.В. Способ разупрочнения угольного пласта. Патент России № 2082886, 1997

73. Хрулев А.С., Смирнов В.И., Теплов М.К. Способ предотвращения загрязнения подземных вод. Патент России № 2141441, 1999

74. Хрулев А.С., Смирнов В.И., Теплов М.К. Борисов В.В. Способ сооружения подземного резервуара в грунте. Патент России 3 2141442, 1999

75. Хрулев А.С., Смирнов В.И., Теплов М.К., Кубланов А.В. Способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых и устройство для его осуществления. Патент России №2181434, 2002

76. Хрулев А.С. Влияние горно-геологических характеристик погребенных россыпей золота на выбор технологии и оборудования СГД. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ №5, 2000.

77. Хрулев А.С. Особенности скважинной гидродобычи золотосодержащих песков из мощных глубокозалегающих россыпей. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ №5, 2001.

78. Хчеян Г.Х., Мижерова Р.С., Романов В.В. Расчет параметров целиков при СГД с учетом коэффициента формы. Труды ГИГХС, вып. 41, М., 1977, с.20-22.

79. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов.м.,»Высшая школа»,1973,446с.

80. Цяпко Н.Ф., Чапка A.M. Гидроотбойка угля на подземных работах. М., Госгортехиздат, 1960.

81. Цяпко Н.Ф. Результаты экспериментальных исследований по разрушению твердого тела струями воды. Сб. «Разрушение углей и пород». М., Углетехиздат, 1958.

82. ЭО.Цяпко Н.Ф. Закономерности разрушения угля струями и создание гидромониторов с програмным управлением. Сб. «Гидравлическая добыча угля», №1.М„ ЦНИИТЭИугля, 1963.

83. Цяпко Н.Ф. Некоторые вопросы автоматизации высоконапорной гидроотбойки угля. Труды ВНИИГидроугля, вып. Новокузнецк, 1968.

84. Цяпко Н.Ф. некоторые вопросы теории гидроотбойки угля,- труды ВНИИГидроугля, вып. 13, доп. Новокузнецк, 1968.

85. Черней Э.И., Бабичев Н.И. и др. Моделирование процессов размыва золотосодержащих песков применительно к скважинной гидродобыче. «Колыма», №3, 1975, с7-9.

86. Черней Э.И., Юройц А.В. Экспериментальные исследования параметров гидроподъема при разработке россыпных месторождений методом скважинной гидродобычи. «Колыма», №7, 1983, с.7-12.

87. Шорохов С.М. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений. М., Недра, 1973

88. Шпак Д.Н. Гидродобыча раздельно-зернистых полезных ископаемых через скважины при неустойчивой кровле пласта. Материалы 1-го советско170югославского симпозиума по проблеме скважинной гидравлической технологии. Т.1, М., апрель 1991, с.29-31.

89. Юфин А.П. Гидромеханизация, М.Стройиздат, 1974, 224 с.

90. Australia. Alternative Mining Method for Deep Alluvial. Mining Journal.,1982,v.299,№ 7677, p.241.

91. Hydraulic mining through small diameter boreholes. Mining and minerals Engineering. 1970, №7049, p.275.

92. Summer D. Recent advances in water jet Coal Mining . Colliery Gnard, 1979, №9, p.92-94.

93. Savaniek George A. Borehole slurry mining of coal and uraniferouse sandstone. Indian Mining and Engineering Jouenal.№18, 1979, p. 26-30.171