При скважинной гидродобыче технологические процессы разрушения горной массы, пульпо-приготовления, всасывания и гидроподъема осуществляются с помощью напорного потока воды через скважины небольшого диаметра. Технология реализуется следующим образом: в пробуренную и обсаженную скважину опускают специальный гидромонитор и гидроподъемное устройство. При этом массив породы разрушается гидромониторной струей жидкости, а выдача образовавшейся после размыва гидросмеси в очистной камере осуществляется эрлифтом либо эжектором (гидроэлеватором) на поверхность [1, 2].
Первые реальные публикации по технологии скважинной гидродобычи относятся к 1936 г., в которых инженер-исследователь П. М. Тупицын [3] показал, что для определенных горногеологических условий экономически выгодно вести добычу некоторых видов твердых полезных ископаемых (песок, гравий, уголь) через скважины небольшого диаметра (200–300 мм). Причем, что особо отмечалось, добычу можно осуществлять без проведения дорогостоящих вскрышных работ.
В последующем эта перспективная технология стала разрабатываться во многих странах и получила развитие в различных отраслях промышленности: в Японии при добыче гравийных смесей для намыва прибрежных территорий; в Польше и Китае — для добычи песка; в Индии и США — при разработке ураноносных и слабосцементированных песчаников. С 1970-х годов Российский государственный геологоразведочный университет (РГГРУ, бывший Московский геологоразведочный институт им. Орджоникидзе) участ-вует в разработке этой технологии при различных горно-геологических условиях.
Скважинная гидротехнология включает следующие процессы:
- гидроразмыв продуктивного массива напорными струями воды с формированием двух- либо трехфазной смеси;
- самотечное или принудительное транспортирование разрушенного (отделенного от забоя) твердого к зумпфу эксплуатационной скважины (подъемного аппарата);
- пульпоприготовление доставленной в зумпф горной массы для процесса всасывания;
- всасывание горной массы с учетом энергетических возможностей всасываемого потока и гидравлических характеристик отдельных кусков твердого материала в объеме горной массы;
- подача гидросмеси на поверхность с учетом возможностей подъемного аппарата, работающего в стесненных условиях эксплуатационной скважины;
- поверхностный напорный гидротранспорт двух-трехфазного потока.
Эти технологические процессы тесно взаимосвязаны между собой и в своей совокупности представляют решение сложной задачи — совмещение разноструктурных процессов в единый технологический цикл добычи полезных ископаемых через скважины с учетом различных горно-геологических требований к процессу гидродобычи.
Первым звеном всей технологической цепи является процесс гидроразмыва (гидроразрушения) породы. Максимально возможную производительность добычи через скважины определяет именно процесс гидроразмыва.
Эффективность процесса гидроразмыва определяется:
а) конструктивными особенностями и геометрическими параметрами инструмента разрушения массива — гидромонитора;
б) расходно-напорными и физическими характеристиками агента разрушения — напорной жидкости;
в) гидростатистической обстановкой в очистной камере и порядком ведения очистных работ в ней;
г) взаимодействием со смежными технологическими процессами: предварительной подготовкой массива (или без нее); гидродоставкой (принудительно или под действием сил тяжести) разрушенной горной массы к зумпфу гидродобычного агрегата; возможностью управления процессом пульпоприготовления при всасывании горной массы в режиме работы гидроагрегата «из-под слоя», как наиболее эффективном.
Гидромонитор должен состоять из ствола (длиной не менее 50 его диаметра) и рабочей насадки. Обеспечить гидромонитор минимально необходимой длиной ствола в пределах диаметра скважины (около 300–350 мм) возможно только при использовании выводного гидромонитора или гибкого ствола. Размывающая способность затопленной гидромониторной струи по мере ее распространения в массе окружающей жидкости интенсивно снижается [7]. Так, при рабочих давлениях 7–10 МПа и диаметрах насадки 25–30 мм, на расстояниях 1–1,5 м от выхода из насадки гидромониторная струя уже не может создавать разрушающих усилий на забое, и процесс размыва прекращается.
Разработка новых конструкций гидромониторов, способных создавать управляемое струеформирование для размыва породы и перевода ее в текучее состояние, является важнейшей проблемой технологии скважинной гидродобычи.
Степень насыщения образуемой гидросмеси твердой составляющей в значительной степени зависит от условий всасывания и пульпоприготовления, которые должны быть взаимоувязаны с процессами гидроразрушения и самотечного гидротранспортирования по почве очистной камеры. Анализ практики проектирования скважинной гидродобычи показывает, что непосредственные расчеты всасывания и пульпоприготовления при этом практически отсутствуют. Так, например, общепринятая методика проектирования скважинной гидродобычи даже не упоминает об этом процессе, выделяя только следующие методы расчета: свободной незатопленной струи; затопленной гидромониторной струи; доставки руды в очистной камере; эрлифта; гидроэлеватора; укладки руды в карты намыва. Кроме того, все предлагаемые расчетные уравнения, зависимости скорости фильтрации с градиентом напора в геотехнологических методах получены эмпирически — путем подбора по результатам экспериментов, аппроксимирующих уравнение, поэтому физическая сущность входящих в него коэффициентов остается нераскрытой. Не составляет исключение такой параметр, как начальный градиент фильтрации. При всей очевидности его физической интерпретации, как некоторого сдвигового сопротивления жидкости, остается неясной связь его с другими показателями, характеризующими процесс фильтрации.
Исходя из вышесказанного, повышение эффективности скважинной гидродобычи и расширение области ее применения требует в первую очередь решения следующих проблем:
- создания новых гидромониторов с управляемым качеством струеформирования;
- разработки методики проектирования скважинной гидродобычи с учетом расчетов процессов всасывания и пульпоприготовления.
В заключение необходимо отметить, что технология скважинной гидродобычи практически работает уже не одно десятилетие (табл.). Технология чрезвычайно привлекательна тем, что для добычи полезных ископаемых не требует создания карьеров или проведения дорогостоящих и опасных для людей подземных горных работ. Несомненно, область применения технологии скважинной гидродобычи должна расширяться, в том числе она должна найти применение для добычи россыпного золота из погребенных россыпей. Для этого уже в настоящее время могут быть выбраны подходящие объекты.
Апробация скважинной гидродобычи на горнодобывающих предприятиях (по результатам работ Российского государственного геологоразведочного университета МГРИ-РГГРУ)
1. Арене В.Ж., Гридин О.М., Крейнин Е.В., Небера В.П., Фазлуллин М.И., Хрулев А.С., Хчеян Г.Х. Физико-химическая геотехнология. М., Изд-во МГГУ, Горное образование, 2010.
2. Арене В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д., Гридин О.М., Хрулев А.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых. М.: Горная книга, 2007.
3. Тупицын П.М. Устройство для подземной разработки полезных ископаемых гидравлическим способом. А.с. № 58591, 1936 г.
4. Бройд И.И. Струйная технология. М.: 2004 г.
5. Хасин М.Ф. Струйная геотехнология в строительстве. Гидротехническое строительство. 2000. № 8. С. 35–42.
6. Малухин Н.Г., Дробаденко В.П., Малухин Г.Н., Вильмис А.Л. Развитие теории и методов расчета скважинной гидротехнологии и их реализация при разработке месторождений полезных ископаемых. Горн, инф.-анал. бюл., Моск. гос. горн, ун-т, 2008. № 12.
7. Дробаденко В.П., Малухин Г.Н., Калинин И.С. Методика и техника морских геологоразведочных и горных работ. Волгоград: 2010 г. Изд. дом. «Ин-Фолио».
