автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Совершенствование горно-буровой системы разведки рудных месторождений на основе новой технологии алмазного бурения скважин различной ориентации

/ ^

ьь

На правах рукописи

ВЛАСЮК Виктор Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГОРНО-БУРОВОЙ СИСТЕМЫ РАЗВЕДКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Работа выполнена в Тульском государственном научно-исследовательском геологическом предприятии по технике и технологии разведки благородных металлов и алмазов (ТулНИГП).

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор

технических наук, профессор, академик РАЕН Е.А.Козловский

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН В.М.Питерский

С! 0 Доктор геолого-минералогических наук, профессор, ] академик РАЕН В.П.Федорчук

■РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВ ¿^¡ДЯ библиотека '

ч А

Ведущее предприятие -

ЗАО "Уральское научно-производственное объединение геологоразведочных и геотехнологических исследований рудных месторождений"

Защита диссертации состоится на заседании диссертационной в Московской государственно 117873, Москва, ул. Миклух- :

С диссертацией в виде на "иблиотеке МГТА.

Диссертация в виде научног "■¿О "сентября 199Вг.

¡3

—• часов

гии по адресу:

Ученый секретарь диссертационного совета

товский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие минерально-сырьевой базы благородных, цветных и редких металлов, которые в соответствии с решением Правительства РФ № 50-Р от 16.01.1996 г. отнесены к стратегическому сырью, всегда являлось актуальной проблемой, обеспечивающей экономическую безопасность государства.

Тематика исследований соответствует «Приоритетным направлениям развития науки и техники» и «Перечню критических технологий федерального уровня», утвержденными председателем Правительственной комиссии по научно-технической политике В.С.Черномырдиным 21.07.1996 г. за № 2727п-П8 по разделу «Технологии ускоренной оценки и комплексного освоения стратегически важного горно-рудного (алмазы, золото, платина) и техногенного сырья».

Эффективность технологии разведки рудных месторождений названных металлов, которые в большинстве своем характеризуются сложным геологическим строением, достигается при рациональном сочетании горных выработок и буровых скважин различной ориентации. Горно-буровая система разведки месторождений предполагает многие варианты сочетания горных выработок и буровых скважин как взаимодополняющего комплекса разведочных единиц в зависимости от возможностей каждой из них в конкретных геологических, горно-технических и географо-экономических условиях.

Геолого-технические условия бурения разведочных скважин в горно-буровой системе разведки названных металлов и задачи, решаемые ими, весьма разнообразны. Основным способом бурения таких скважин является вращательное алмазными коронками. Начальный этап развития алмазного бурения в СССР был связан с острой необходимостью ускорения разведки месторождений руд различных металлов и увеличения объема бурения неглубоких скважин в твердых породах из подземных горных выработок.

Следующим этапом совершенствования методов изучения геологически сложных рудных месторождений стала разработка и освоение техники и технологии алмазного бурения скважин различной ориентации глубиной до 1000 м и более с поверхности и из подземных горных выработок.

В со&ршенствовании и развитии горно-буровой системы разведки таких месторождений автор ¡принимал активное творческое участие.

Новые технологии поисков и изучения руд благородных, цветных и редких металлов в условиях рыночной экономики приобретают существенно большее значение.

Разработанные автором диссертации методические и технологические решения, позволяющие значительно увеличить эффективность горно-буровой системы разведки . ¡ных месторождений за счет повышенной геологической информативности скважин 1чн0й ориентации при новой технологии их бурения, представляют собой научное дение, которое способствует решению крупной народно-хозяйственной пробле-нтенсификации процесса разведки геологически сложных месторождений благо->с, цветных и редких металлов.

Цель работы - разработать научные основы повышения эффективности горно-буровой системы разведки месторождений благородных, цветных и редких металлов на основе выявленной геологической информативности скважин различной пространственной ориентации при новой технологии их бурения.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

исследование достоверности геологической информации скважин различной ориентации и разработка рациональных методов получения высококачественного керна руд и вмещающих пород;

теоретические и экспериментальные исследования и разработка оптимальных технологических режимов алмазного бурения скважин при изменении ориентации их осей от нисходящего положения до восходящего;

исследование и оптимизация основных технологических факторов с целью повышения геологической информативности и экономической эффективности алмазного бурения скважин различной ориентации;

совершенствование горно-буровой системы разведки месторождений цветных, благородных и редких металлов на основе использования выявленных закономерностей.

Исходный фактический материал и вклад автора. Научный доклад обобщает научные положения, выводы и рекомендации, которые содержатся в опубликованных с 1966 по 1998 г. работах автора. Исходный фактический материал собирался и обобщался автором как специалистом и руководителем геолого-разведочных предприятий в процессе разведки крупнейших месторождений благородных, цветных и редких металлов, так и в качестве сотрудника и руководителя научно-исследовательских организаций (САИГИМС, Тульский филиал ЦНИГРИ, ТулНИГП).

Методы исследований. Для решения поставленной проблемы использовался комплексный метод исследований, включающий:

научный анализ и обобщение результатов своих работ, результатов работ других авторов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по методике и технологии разведки геологически сложных рудных месторождений с использованием подземных горных выработок и буровых скважин и обоснование на этой основе задач исследований по повышению эффективности горно-буровой системы разведки геологически сложных месторождений металлов;

аналитические и экспериментальные исследования качества керна, полученного с различных рудных месторождений, с целью выявления закономерностей влияния на него ориентации оси скважины, типоразмера бурового снаряда и технологии бурения;

экспериментальные исследования на стендах с использованием естественных изотропных блоков твердых пород с целью оптимизации процесса алмазного бурения скважин различной ориентации;

математико-статистический анализ экспериментальных и производственных данных для определения степени их достоверности и вывод эмпирических формул и поправочных коэффициентов;

технико-экономические исследования эффективности совершенствования горнобуровой системы разведки месторождений благородных, цветных и редких металлов на основе выявленных и использованных на практике закономерностей процесса алмазного бурения.

В основу методики анализа положено сопоставление показателей объектов исследований, полученных в виде статистических совокупностей, подчиняющихся в основном нормальному закону распределения, при бурении нисходящих, горизонтальных и восходящих скважин.

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что автором разработаны научные основы совершенствования горно-буровой системы разведки месторождений благородных, цветных и редких металлов на основе выявленных новых закономерностей бурения скважин различной ориентации, а именно:

1. Впервые установлена и исследована связь между ориентацией оси скважины по отношению к горизонту и качеством получаемого керна, технологией и технико-экономическими показателями алмазного бурения, что позволяет оптимизировать процесс сооружения скважин и на этой основе повышать эффективность разведки геологически сложных месторождений.

2. Получены аналитические зависимости и выведены поправочные коэффициенты, позволяющие управлять заложением скважин как разведочных единиц в горно-буровой системе разведки месторождений путем прогнозирования их геологической информативности, и оптимизировать параметры технологического режима алмазного бурения в зависимости от ориентации осей скважины по отношению к горизонту.

3. Установленные геологические и технологические закономерности алмазного бурения позволяют снижать затраты при горно-буровой системе разведки месторождений за счет замены части горно-разведочных выработок и горизонтальных скважин восходящими и нисходящими скважинами, характеризующимися повышенной геологической информативностью при меньшей стоимости.

На защиту выносятся:

1. Установленные закономерности влияния ориентации оси скважины на геологическую информативность керна.

2. Выявленные закономерности взаимосвязи параметров технологического режима, механической скорости алмазного бурения и удельного расхода породоразрушаю-щего инструмента от ориентации оси скважины, что позволяет оптимизировать процесс алмазного бурения в зависимости от этого фактора.

3. Совершенствование процесса алмазного бурения скважин с учетом ориентации их осей на основе новых технических и технологических решений, повышающих механическую и рейсовую (цикловую) скорости, что обеспечивает повышенный уровень геологической информативности керна при снижении затрат на буровые работы.

4. Совершенствование горно-буровой системы разведки геологически сложных месторождений за счет перераспределения объемов горных и буровых работ в пользу последних, эффективность которых обеспечивается выявленными геолого-технологическими закономерностями.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и внедрен в условиях разведки различных рудных месторождений комплекс новых геолого-методических и технологических решений, включающий:

1.1. Методические рекомендации по алмазному бурению скважин из подземных горных выработок при разведке месторождений благородных, цветных и редких металлов [-2, 5, 28].

1.2. Новые технологические решения для повышения технико-экономической эффективности алмазного бурения скважин из подземных горных выработок [1,2,3,5,10, 12, 13, 14,16,17,23, 25, 37,46, 49, 52] и с дневной поверхности [1,4 8, 9, 15, 21,24^ 26^ 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 39, 40, 43, 44, 50, 51, 53].

1.3. Обоснование перспектив научно-технического обеспечения качества геологической информации, получаемой от буровых скважин [43, 45, 50, 51].

2. Опубликованные материалы включены в три монографии, два учебника и три справочника н инструкции различных авторов для использования в учебной и научно-поизводственной деятельности.

3. Результаты исследований реализованы в процессе разведки крупных месторождений цветных, благородных и редких металлов [1,2,3,5, 8,12,15, 21,22,24,25,29, 30, 31,32, 34,35,36,38, 39,41,42,43,44 и др.]. Это способствовало повышению качества и уменьшению сроков геолого-разведочных работ на этих объектах, а автор разработок удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники "за создание уникальной минерально-сырьевой базы".

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований представлялись в виде сообщений и докладов на Всесоюзных и Всероссийских отраслевых совещаниях, семинарах и конференциях, проводимых по планам Мингео СССР, Мингео РСФСР, Мингео УзССР и Управления геологии ТаджССР (1970-1989 гг.). Результаты НИОКР по тематике исследований рассматривались на научных конференциях и семинарах в САИГИМС, ТашПИ. МГРИ (МГГА) и Томском политехническом институте (1972-1998 гг.).

Отдельные положения работы докладывались на 10-м заседании научно-технического координационного центра стран-членов СЭВ «Интергеотехника» (1981 г.), на 3-м и 4-м Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, 1995 и 1998 гг.).

Основные результаты исследований были реализованы при разведке крупных и средних по запасам месторождений благородных металлов (Даугызтау, Большой Кани-мансур, Тарор и др.), цветных (Алтын-Топкан и др.) и редкометалльных (сурьмяно-ртутные Джижикрут, Кончоч и др.).

Публикации. Содержание диссертации изложено в 53 опубликованных работах.

При выполнении исследований использовались научные труды М.Н.Альбова, Б.И.Воздвиженского, С.А.Волкова, А.Б.Каждана, Ф.А.Шамшева, Е.А.Козловского, Д.Н.Башкатова, А.Г.Калинина, С.С.Сулакшина, В.П.Федорчука, И.Д.Чумакова, В.М.Питерского, В.Г.Кардыша, А.Т.Киселева, Ю.В.Кодзаева, В.М.Крейтера, Б.Б.Куд-

ряшова. А.В.Марамзина, Н.В.Соловьева, В.И.Смирнова, Л.К.Горшкова, М.А.Комарова, Н.И.Корнилова, Н.И.Любимова, В.П.Онищина, Н.А.Никифорова, Л.А.Лачиняна, И.П.Мельничука, О.В.Ошкордина, А.Г.Блинова, Н.Б.Булнаева, В.Т.Борисовича, И.Ф.Большакова, А.К.Митропольского, Ю.А.Оношко, И.А.Остроушко, И.П.Петрова, Ю.А.Пешалова, П.П.Пономарева, В.В.Васильева, И.Ф.Глухова, Г.М.Гульянца, И.А.Жука, В.А.Каулина, Д.П.Колосова, Д.А.Родионова, Н.В.Рогальского, С.Я.Рябчико-ва, В.А.Кудри, А.И.Гольдфельда, В.П.Сулимова, Л.И.Четверикова, А.С.Юшкова, А.Б.Дралюка, Е.Ф.Эпштейна и многих других.

В процессе исследований автор пользовался поддержкой и советами своих коллег Е.Г.Краснова, В. А.Никитаева, В.И.Спирина, А.К.Суклеты, В.М.Турлычкина, К.А.Харь-кевича, ученых С.С.Сулакшина, Д.Н.Башкатова, А.Г.Калинина, В.Г.Кардыша, А.Т.Киселева, В.В.Кривошеева, В.П.Онищина, П.В.Полежаева, А. А. Абдумажитова, И.Д.Бронникова, А.В.Пошенко, С.Я.Рябчикова, В.Г.Храменкова и других, а также многочисленных геологоразведчиков республик Средней Азии, которые были помощниками и сподвижниками в проведении исследований и реализации их результатов.

Большую помощь в оформлении результатов исследований оказали В.Н.Кузина, З.П.Сенаторова и Т.М.Веселова.

Всем перечисленным выше лицам выражается глубокая благодарность.

„ ос-нф&пыв защищаемые паз иные помжения

Первое защищаемое положение. Впервые установлены закономерности влияния ориентации оси скважины на геологическую информативность керна, а именно:

с изменением ориентации оси скважины от нисходящего положения через горизонтальное до пологовосходящего износ керна пород, особенно трещиноватых и раздробленных, увеличивается, достигая максимальной величины при критическом значении угла наклона по восхождению, который определяется равновесием между составляющей от веса керна и противоположно направленными силами потока промывочной жидкости; при этом качество керновых проб, связанное с избирательным истиранием полезных компонентов или вмещающих пород, самое низкое;

при увеличении угла наклона восходящей скважины сверх критического до вертикального (+90°) износ керна снижается из-за уменьшения его подклинивания в приза-бойной зоне и взаимного проскальзывания отдельных плашек, стабилизируясь в пределах от +30 до +60°; при этом качество керновых проб повышается, приближаясь к уровню бороздовых, и не зависит от диаметра колонкового снаряда.

Установленные закономерности основаны на данных аналитических исследований и результатах детального изучения качества керна при алмазном бурении более 40 тыс.м скважин различной ориентации в твердых, трещиноватых и тектонически разрушенных породах VIII-XI категорий месторождений благородных (золото, серебро), редких (сурьма, ртуть) и цветных (свинец, цинк) металлов [2, 3, 5, 11, 12, 20, 28, 33,42, 48]. Общим для пород этих месторождений является частая перемежаемость их по твердости и абразивности. Исходные показатели объектов исследований получены в виде статистических совокупностей, которые в целом подчиняются нормальному закону распределения случайных величин.

Существенность различий средних значений признака, соответствующих разным уровням фактора, оценивалась ^критерием Стьюдента и Р-критерием Фишера.

Зависимость выхода керна от ориентации осей скважин исследована с помощью двухфакторного дисперсионного анализа по Б-критерию Фишера, основная идея которого заключается в разложении суммы квадратов отклонений общего среднего коэффициента вариации на компоненты, соответствующие предполагаемым факторам изменчивости (свойства пород, ориентация оси скважины и технологические).

Разрушение керна твердых трещиноватых пород, как установлено и подтверждено многими исследователями, происходит в основном из-за дробления его и истирания при подклинивании в коронке и колонковой трубе и является очень сложным многофакторным процессом. Поскольку специфической методической особенностью скважин в горно-буровой технологии разведки является возможность и необходимость