автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Создание технологии освоения месторождений алмазосодержащего сырья скважинами большого диаметра

На правах рукописи

КРОТКОВ Вячеслав Владимирович

?ГБ ОД

а о 1ГЛ:'| 7

I О «1И/11 '

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ СКВАЖИНАМИ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специш1Ы10сть 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Атомредметзолото»

Научный руководитель: профессор

Лобанов Дмитрий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мапухин Николай Григорьевич

кандидат технических наук Николаенко Валерий Павлович

Ведущая организация - ОАО «Северапмаз», г. Архангельск

Защита диссертации состоится 19 июня 2000г. на заседании диссертационного совета Д.063.55.02 в Московской государственной геолгоразведочной академии имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, в аудитории 6-87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА. Автореферат разослан 17 мая 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Небера В.П.

И131.5,°

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Освоение Архангельской алмазной провинции является одной из приоритетных задач в проблеме коэвотоционного развития минерально- сырьевого комплекса (МСК) России в третьем тысячелетии.

Сложные горно-геологические и гидрогеологические условия, эколого-экономические и временные критерии освоения месторождений алмазов требуют не традиционных подходов.

Значительная заболоченность местности, неустойчивость и небольшая крепость алмазосодержащих брекчий и ксенотуфобрекчий, содержание до 80% во вмещающих породах саппонитовых и монтмо-риллонитовых глин, склонных к значительному (в 5-10 раз) увеличению в объеме при их увлажнении, пегролого-геохимические и минералогические оценочные критерии требуют поиска новых технологий.

В отличие от имеющихся предложений по открытому способу добычи (трубка Архангельская), скважинной гидродобыче (трубки им. М.В.Ломоносова, Пионерская и Поморская) нами предложена, разработана и проведена в опытно-промышленном объеме разведочно-эксплуатационная технология (трубка Карпинского-1), предусматривающая органическую взаимосвязь отбора крупномасштабной технологической пробы (соизмеримой с объемом при добычных работах) с элементами возможной последующей отработкой трубки выбуриванием скважинами большого диаметра.

Широко известная практика проходки вертикальных горных выработок (стволов шахт, восстающих и др.) скважинами большого диаметра в условиях алмазоносных Архангельских месторождений дополнительно потребовали изучения и решения задач недопущения переизмельчения алмазов, особенностей транспортирования гидросмеси, обоснования параметров эрлифтирования технических средств и скорости бурения, а также обеспечения устойчивости выбуренной скважины на весь ее эксплуатационный период.

Цель работы заключается в создании новой разведочно-эксплуатационной технологии освоения месторождений алмазосодержащих руд горнотехническими скважинами большого диаметра, базирующейся на физико- аналитическом обосновании взаимозависимых параметров допустимого измельчения кристаллов алмазов, эрлифтирования гидросмеси, давления бурового раствора и кратковременного поддержания выбуренного пространства в кимберлитовой трубке.

Идея работы заключается в использовании потенциальной возможности вязко-пластичного циркуляционного потока гидросмеси для предотвращения переизмельчения выбуриваемой алмазосодержащей горной массы на забое и обеспечение эффективного выноса ее по стволу горнотехнической скважины.

Работа выполнена в ОАО «Атомредметзолото» и на объектах ОАО «Севералмаз». Основные положения диссертации базируются на результатах исследований, выполненных с личным участием автора в 1984-1988 гг. в соответствии с приоритетнеым направлением Российской академии наук «Создание комплексных технологий выявления и оценки забалансовых запасов алмаза и вовлечения их в эксплуатацию и создание рациональных схем утилизации отходов алмазодобывающей промышленности» в рамках государственной подпрограммы «Экогорметкомплекс будущего» Миннауки и технологий РФ, «Ресурсосберегающие и экологически безопасные процессы горнометаллургического производства (1992-1995гг.), в рамках всесоюзной программы «Лампроит» (1985-1990гг.), а также по проектам №ЗЮ и 77-05 Федеральной целевой программы «Интеграция» (1997-2000 гг.).

Цель исследований в соответствие с идеей обуславливает решение следующих задач:

- обоснование методических принципов ведения разведочно-эксплуатационных работ выбуриванием горнотехнических скважин большого диаметра;

- обоснование и разработка научной концепции необходимых и достаточных условий эффективной транспортабельности и кондиционной сохранности алмазного сырья в призабойной зоне скважины;

- разработка аналитической модели эрлифтного гидроподъема крупнокусковой алмазосодержащей горной массы;

- обоснование технологии гидрозакладки выбуренного пространства кимберлитовой трубки шлюзовыми камерными аппаратами.

Метод исследования. При решении задач использовался комплексный метод исследований, включающий; изучение и анализ литературных и патентных материалов, инженерный анализ и обобщение результатов экспериментальных и опытно-промышленных работ, аналитическое обоснование параметров технологических процессов.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Концепция разведочно-эксплуатационного освоения алмазосодержащих брекчий горнотехническими скважинами большого диаметра должна основываться на создании транспортирующей способности призабойного потока жидкости, соответствующему наибольшему куску твердого, образующегося в результате механического скола породораз-рушающего инструмента без ухудшения природного качества алмазного сырья.

2. Характер изменения площади поперечного сечения горнотехнической скважины в процессе ее выбуривания большим диаметром может рассматриваться как стационарный процесс взаимодействия гидростатического давления бурового раствора и сопротивления податливости глинистой корки на стенке скважины, что имеет важное значение при определении

^ кратковременной ее устойчивости на весь срок эксплуатации.

3. Степень управления процессом эрлифтирования определяется взаимосвязанными параметрами диаметра эрлифта, длиной линии всасывания и нагнетания, крупностью куска твердого, плотностью несущей жидкости, а также абсолютной длиной эрлифта.

4. Гидрозакладка выбуренных горнотехнических скважин шлюзовыми аппаратами обеспечивает процесс перемещения высоконасыщенной крупнокусковой гидросмеси и предопределяется расходной сбалансированностью входного водяного и потока гидросмеси на выходе из аппарата при создании нисходящего движения твердого в очистном пространстве от состояния псевдоожижения до транспортного в плоскости вытеснения его в магистральный трубопровод.

Достоверность и обоснованность паучных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований выбуривания горнотехнические скважин большого диаметра в Архангельских ксенотуфобрекчиях в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

Относительная ошибка вариации расчетных значений от фактических составляет в среднем около 7 % при максимальной 13 %.

Научное зпачение работы - заключается в теоретическом обосновании основных положений процесса выбуривания алмазосо-

держащих пород с учетом сохранности крупнозернистого ценного кристаллосырья при управляемом гидротранспорте его на поверхность как основы создания интенсивной разведочно-эксплуатационной технологии освоения месторождений алмаза с использованием бурения горнотехнических скважин большого диаметра.

Практическое значение работы заключается в том, что на основе выявленных закономерностей разрушения (скола) алмазосодержащего кимберлита, характерного для процесса выбуривания горнотехнических скважин большого диаметра, и созданных аналитических моделей процесса забойного выноса крупнозернистого ценного кристаллосырья с последующей закладкой очистного пространства разработаны и созданы технические средства и высокопроизводительная разведочно-эксплуатационная экологизированная технология освоения алмазосодержащих месторождений Архангельской алмазоносной провинции.

Реализация работы в промышленности.

Результаты диссертационной работы использованы в рабочей документации скважинного аппарата (породоразрушающего инструмента и эрлифта) и в регламенте разведочно-эксплуатационных работ при выбуривании горнотехнических скважин большого диаметра в алмазосодержащих кимберлитах на трубке им. Карпинского-1 Архангельского региона, а также при работах на кимберлитовых трубках «Снегурочка», «Первомайская», «402» и «им. В.Гриба».

Апробация основных положений диссертации осуществлена на семинарах и технических совещаниях в ОАО «Севералмаз», научных конференциях МГГУ и МГГА в 1998-2000гг., при обсуждении проектных решений на предприятиях ОАО «Севералмаз», институтов ИПКОН, ВНИПИ-промтехнологии, МГГА.

Публикации. Основные результаты исследований и положений, отраженных в диссертации, опубликованы в 4 печатных работах и восьми научных отчетов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 121 странице машинописного текста, содержит 12 таблиц, 24 рисунка, библиографический список из 109 наименований и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены проблемы и общая тенденция развития проблемы освоения Архангельских алмазосодержащих кимберлитов. В этой связи особенно четко обозначилась необходимость изучения технологии выбуривания кимберлитов скважинами большого диаметра на разведочно-эксплуатационной стадии.

В первой главе проанализировано состояние, научные предпосылки и технологические аспекты возможности отработки алмазов Архангельского региона с использованием традиционных способов (подземного и открытого) и геотехнологических (скважинной гидродобычи и метода выбуривания горнотехнических скважин большого диаметра). Обоснованы задачи для исследования способа выбуривания алмазосодержащих кимберлитов скважинами большого диаметра на стадии разведочно-эксплуатационных работ (РЭП). Отмечены роль и вклад в теорию и практику рассматриваемой задачи научных и производственных организаций (ОАО «Севералмаз», Министерство природных ресурсов, ИШСОН), отечественных и зарубежных ученых (Грабчак Л.Г.,Башкатов Д.Н., Кузовлев Б.Н., Малухин Н.Г., Ялтинский Ю.В., Козел А.И., Добровольский В.В.). Показано, что задача разведочно-эксплуатационного бурения горнотехнических скважин большого диаметра в алмазосодержащем горном массиве существенным образом отличается от традиционного бурения таких скважин на других месторождениях. Сформулированы цель, идея и задачи исследований.

Во второй главе представлен анализ экспериментальных и аналитических исследований по вопросу устойчивости стенок скважин большого диаметра как в процессе бурения, так по его завершении. Показана особенность изменения диаметра и площади поперечного сечения ствола скважины по ее глубине.

В третьей главе приведены аналитические исследования эр-лифтного гидроподъема с целью возможности своевременного выноса из-под породоразрушающего инструмента крупных сколов алмазосодержащих кимберлитов для предотвращения их повторного измельчения (переизмельчения).

Разработаны технические и технологические условия эффективной гидрозакладки очистного объема выбуренных пиротехнических скважин с использованием загрузочных шлюзовых аппаратов.

В четвертой главе разработаны методические основы и принципы расчета процесса эрлифтного гидроподъема и технологических схем гидрозакладки шлюзовым аппаратом. Представлены экспери-

ментальные исследования по опыту бурения гидротехнической скважины диаметром 4 метра с учетом сохранности ценного кристаллосы-рья. Приведена технико-экономическая оценка извлечения из недр алмазоносных кимберлитов способом выбуривания горнотехническими скважинами большого диаметра.

Освоение кимберлитовых алмазосодержащих трубок Архангельского региона связано со многими горно-техническими, горногеологическими и гидрогеологическими сложностями. Месторождение достаточно сильно обводнено, заболочено, присутствуют значительные водопритоки. Покрывающие кимберлитовые трубки и вмещающие породы содержат туфобрекчии и ксенотуфобрекчии со значительными включениями глинистого материала сапонитово-монтмориллонитовых групп. Главной особенностью глин этой группы является наличие, необычайного для минералов, подвижной кристаллической решетки. Она состоит из кристаллических пакетов, слабо связанных друг с другом. По мере увлажнения молекулы воды проникают между пакетами и раздвигают их, образуя достаточно скользкие коллоидные системы, со всеми характерными свойствами бингамов-ских жидкостей.

Торфяники имеют широкое развитие на участках алмазосодержащих трубок, заболоченность составляет 40-50 %, имея в ряде случаев свободную водную поверхность. Обладая большой влагоемкостью и слабой водоотдачей, торфяники практически, в той или иной степени, обводнены круглый год.

Поиски путей освоения алмазоносных месторождений этого региона шли и идут по трем основным технологическим направлениям: открытые горные работы, скважинная гидродобыча и разведочно-эксплуатационное выбуривание горнотехнических скважин большого диаметра с последующей закладкой очистного пространства.

В результате проведенных изысканий исследователями были получены следующие результаты.

Использование открытых горных работ может иметь перспективы при положительном решении следующих задач: выявление степени влияния осушения карьера на гидрографическую сеть и общую экологическую обстановку региона; определение степени устойчивости бортов карьера по мере снятия статической нагрузки с горных пород; выявление возможности стабильной работы опорной рамы экскаватора во времени в условиях оплывания вскрытых глинистых горных пород монтмориллониговой группы.

Использование технологии выбуривания горнотехнических скважин большого диаметра на стадии разведочно-эксплуатационных работ такой способ может быть весьма эффективен.

Проходка шахтных стволов буровым способом, как в отечественной, так и в зарубежной практике достаточно известны. Проведены многочисленные работы по бурению скважин большого диаметра (до одного-двух метров) для различных технологических целей и стволов диаметром до 6 м и более в различных горно-геологических условиях.

Бурение скважин большого диаметра осуществляется обычно с применением глинистого бурового раствора, который удаляется перед или после установки крепи. Характеристики крепей и способы их возведения при этом не всегда одинаковы, но основная геомеханическая проблема во всех случаях заключается в том, чтобы была обеспечена последующая устойчивость закрепленной скважины на весь эксплуатационный срок.

Особенностью крепления такой горной выработки как горнотехническая скважина большого диаметра, используемая для добычи алмазосодержащей руды является то, что ее эксплуатационный период определяется не годами, как для капитальных сооружений горнодобывающих предприятий, а несколькими месяцами, необходимыми для бурения до нижней отметки и закладки. В этой связи вопросы теории и практики оценки кратковременной устойчивости горнотехнических скважин большого диаметра без крепления оказались неизученными.

При проходке вертикальной горной выработки в условиях трехмерного сжатия вокруг нее формируется измененное поле упругих условно-мгновенных напряжений в виде радиальной и тангенциальной компонент:

- для радиальной составляющей напряжений

®г= (сгх, сгу) (1 — р"2) (1)

- для тангенциальной (окружной) составляющей

с0=(0х>сту)(1+р-2) (2)

где стг, ад - соответственно радиальная и тангенциальная составляющая напряжений;

р - относительный безразмерный радиус;

Р = г/г0; г0 - радиус выработки, м;

г - радиальная координата, исходящая из центра поперечного сечения выработки, м.

Если при проходке вертикальной выработки ее стенки подпираются буровым раствором, то составляющие напряжения могут быть представлены в виде

сг=уЯ (1 -р-1) + Грр-*

(3)

с0=уН(1+р2)-ГрНр2 ,

откуда максимальное напряжение одноосного сжатия на контуре ствола определяется как 2уН, а максимальное касательное напряжение ттах - как

(4)

При бурении скважины с применением глинистого бурового раствора на ее стенки воздействует горизонтальный подпор, величина которого определяется гидростатическим давлением бурового раствора.

Тогда уравнение (4) для контура (р =1) будет иметь решение для максимального касательного напряжения в виде

2 уН-урН-урН , ч Гтах=-Р~-- = Щ-Ур). (5)

Рассматривая физико-механические свойства пород, в которых пробурена скважина с учетом их структурной нарушенности через коэффициенты структурного ослабления по всей толще вмещающего массива (с глубины 50 м) можно заключить:

- сопротивление одноосному сжатию на контуре скважины меньше величины тангенциальной составляющей напряжений, согласно выражения (2);

- предельное сопротивление касательным напряжениям меньше величины максимального касательного напряжения, по выражению (4).

Следовательно, при отсутствии противодавления со стороны скважины (гидростатическим столбом бурового раствора) вероятность разрушения стенок скважины достаточно велика. Разрушение распространяется на некоторую глубину от контура, описываемого радиусом

запредельных деформаций. При подпоре стенок скважины, который формируется буровым раствором при условии водоупорного слоя на стенках скважины, величина тангенциальной компоненты напряжений, а, следовательно, и предел, необходимый для обеспечения устойчивости породы одноосному сжатию уменьшается на четверть, а касательные напряжения - в два раза. В таких условиях кошур выработки испытывает незначительные деформации в пределах упругих характеристик.

Изучение и предварительный анализ результатов измерений поперечных сечений скважины показывают, что устойчивость и режимы деформирования стенок скважины по разрезу весьма изменчивы (рис. 1).

Статистическая обработка результатов измерений площади поперечного сечения скважины показала, что по глубине происходит некоторое изменение площади, но в целом наблюдается устойчивая средняя величина, которая статистически остается неизменной (таблица 1).

Таблица 1

Среднее значение площадей поперечных сечений скважины в процессе ее бурения (интервал 40-85 м)

Дата замера Параметры скважины 24.01 03.02 14.02 03.03 23.03 02.04

Я 2 13.76 13.9 13.77 14.05 13.71 13.93

А5 0.64 0.65 0.6 0.67 0.69 0.68

2.093 2.104 2.094 2.115 2.089 2.106

где:

8ср- средняя по колонке площадь поперечного сечения скважины, м2; А8 - среднеквадратичное отклонение, м2;

Л - средний расчетный радиус поперечного сечения скважины, м.

Глубина 96м

Глубина 114м Э=22.90м2

Глубина 128м

Глубина 132м

Рис. 1 Форма горизонтальных сечений ствола скважины И1С-1 (по данным геоакустической кавернометрии от 17.07.1997г.)

Анализ таблицы показывает, что в течении сравнительно продолжительного периода времени площадь поперечного сечения скважины изменялась в сторону увеличения или уменьшения, но тенденция постоянства ее среднего поперечного сечения сохранялась по всей глубине.

Таким образом, характер изменения площади поперечного сечения скважины в данном случае может рассматриваться как некоторый стационарный процесс, характеризующийся средней площадью поперечного сечения скважины, стандартным отклонением фактических площадей от средней.

Описанный процесс существенным образом дестабилизировался после прекращения буровых работ, когда рабочий орган был извлечен, а измерение поперечных сечений продолжалось.

Таблица 2

Среднее значение площадей поперечных сечений скважины после прекращения буровых работ

Дата замера Параметры площадей 15.04 22.04 15.05 17.07

ЭсрМ2 13.84 13.91 13.68 13.31

ДБ 0.86 0.63 0.59 0.52

2.099 2.105 2.087 2.059

Анализ табл. 2 показывает, что после начального сечения, происходит стабилизация изменения ее размеров. При этом, наблюдается также и постепенное уменьшение среднеквадратичных отклонений. Экстраполируя уменьшения отклонений во времени, можно ожидать, что радиус скважины остается более 2-х метров.

Пульсирующий характер изменения площади поперечного сечения скважины, а вместе с этим и радиуса выработки свидетельствует о периодических обрушениях пород в выработанное пространство и восстановления величины поперечного сечения за счет смещения каждый раз еще необрушившихся пород. Такие циклы являются следствием проявлений запредельных деформаций в приконгурном к скважине породном массиве. Если смещение стенок скважины ограничить податливой крепью с некоторым не менее минимально необходимого сопротивлением податливости, то через определенный промежуток времени смещения прекращаются и выработка остается устойчивой. При отсутствии такого ограничителя смещения будут развиваться вплоть до самоподбучивания выработки обрушающимися породами. При бурении скважины с применением глинистого раствора на ее стенках формируется глинистая корочка, скрепляющая локальные неоднородности, препятствующая процессам водообмена средами внутри скважины и во вмещающем породном массиве. Через нее на породный контур передается гидростатическое давление бурового раствора, чем создается эффект крепления стенок скважины идеально податливой крепью с сопротивлением податливости, равным гидростатическому давлению бурового раствора. При известных величинах глубины выработки, радиуса зоны запредельных деформаций и предельного коэффициента запредельной деформации на контуре выработки ожидаемое предельное смещение контура скважины устанавливается расчетом. Расчеты, выполненные в институте ВНИПИ-промтехиологии (Рабочий проект, 1995), показали, что при создании подпора на стенке скважины глинистым раствором, пластические деформации вмещающего массива отсутствуют, а упругие смещения контура скважины достигают величин первых миллиметров.

В рассматриваемом случае глинистой корки на стенках скважины вследствие влияния полимерных растворов, в виде налипания глины на буровой инструмент, как правило, не образовывалось. Поэтому ствол скважины оказался без крепления. Иными словами, буровой раствор, заполнявший скважину, не препятствовал смещению вмещающих пород в выработанное пространство.

Как следует из табл. 2, после прекращения бурения и последнего извлечения бурового става, сечение скважины (по замеру 22.04.97) достигло некоторой, превышающей среднестатистическую, величины и начало уменьшаться. При этом скорость смещения породного контура в выработанное пространство оказалось неравномерной: 1,4 мм/сут. в среднем за первые две недели и 0,4 мм в среднем за последующие 72 суток. В данном случае процесс смещения носит затухающий характер, а скорость смещений может быть выражена затухающей экспоненциальной функцией в виде:

Уи{1) -1.82 ехр(-0.03550, (6)

где:

Уи(1) - скорость смещений, мм/сут. в зависимости от времени 1 суг.

Интегрирование приведенной функции по времени от I =0 до бесконечности дает прирост смещений на стадии их затухания:

и =1.82/0,0355 = 51,27 мм

При бурении скважины на глубинах залегания алмазоносных пород ниже плоскости забоя возникает волновое напряжение в массиве. Этим процессом охватывается и та часть массива, которая впоследствии образует боковую поверхность скважины. Этим могут быть объяснены случаи резкого начального (по замерам) увеличения поперечного сечения скважины в сравнении с сечением, разрабатываемым рабочим органом буровой установки.

В практике исследований устойчивости горных выработок некруглой конфигурации применяют радиусы выработок эквивалентной и описанной окружности. В рассматриваемом случае данные подходы представляются весьма проблематичными уже потому, что он может быть переменным. Ниже по глубине важно, чтобы относительный радиус при заданных геометрических параметрах выработки отражал состояние массива в конкретно заданной численными координатами точке. Точного решения этой задачи неизвестно. Поэтому для оценки глубины саморазрушения породы ниже забоя примем радиус сферы, отвечающий условию, что его величина должны быть не менее радиуса поперечного сечения скважины. Этому условию соответствует радиус описанной окружности вокруг квадрата 4x4м и равный 2x1,41+2,82м. Исходя из этого, определим глубину разрушения (Лр) или запредельного деформирования по формуле:

¿,=2,8207,-1) (7)

где: рр- относительный радиус разрушения.

45 уНЛ

Рр =

1/3

V асж У

(8)

осж - временное сопротивление пород сжатию,

0.4

£ Я,

1,2

1.6

&

X О.

а е

0

5

с

1

£ 2.0

2.4

100

200

300

Глубина забоя, м 400 500 600

\ \

- \

\2'

Рис.2. График зависимости глубины запредельного деформирования пород забоя от его глубины. 1,2 - для наиболее крепкой и слабой литологических разностей во влажном состоянии; 1,2 - для тех же литологических разностей в во-донасыщенном состоянии.

Рис. 3. Схема оборудования горнотехнблогическои скважины и сооружения для добычи и переработки алмазосодержащих кимберлитов.

Анализ зависимостей (рис. 2) показывает, что при прочих равных условиях глубина запредельно деформированного забоя буровой скважины весьма интенсивно увеличивается с глубиной горных работ.

Использование скважин большого диаметра при освоении алмазосодержащих брекчий связано с технологией бурения установкой ВИРТ. Непосредственно технология бурения этой установкой включает работу породоразрушающего инструмента и процесс очистки забоя от выбуренной алмазосодержащей породы и последующей транспортировки ее на поверхность

эрлифтом. Использование установки ВИРТ только для создания и обустройства скважин-шурфов диаметром более 4-х метров определено паспортом ведения буровых работ. Использование же этой установки для целей крупного скола алмазосодержащей породы и предотвращение его переизмельчения шарошкой возможно только при управлении всасывающими потоками при эрлифтировании (рис. 3). Своевременный вынос разрушенного твердого из-под шарошки является непременным условием сохранности кристаллосырья при последующем эрлифтном подъеме. Увеличение плотности промывочной жидкости повышает эффективность очистки забоя скважины, но предъявляет еще большие требования к расчету эрлифтного подъема для управления транспортирующей способностью всасывающего потока.

Таким образом, достоверная оценка возможностей эрлифтного подъема крупнокусковой гидросмеси при различной плотности несущей среды (бурового раствора) необходима для соответствующего выбора конструкции породоразрушающего инструмента. Это позволит вести скол породы на забое крупностью, соответствующей транспортирующей способности эрлифтного подъема, что в конечном итоге определит наиболее эффективный технологический режим всего способа эксплуатационного бурения скважин большого диаметра при жестком условии непереизмельчения ценного сырья.

Расходные характеристики эрлифтного подъема представляют собой перевернутые неравнобочные параболы. Основным показателем мощности работы эрлифта является коэффициент затопления смесителя, т.е. глубина, на которую вводится в пульповод воздух. С одной стороны, излив гидросмеси из эрлифта при больших коэффициентах погружения смесителя происходит почти сразу после подачи воздуха. Вместе с тем, значительные коэффициенты погружения смесителя эрлифта требуют наличия компрессора с большим пусковым давлением.

Небольшие пусковые давления на эрлифте обеспечиваются компрессорами низкого давления. Но работа эрлифта с небольшими

коэффициентами погружения смесителя характеризуются не только малой поизводительностью, но и значительными начальными (до из-лива гидросмеси) и эксплуатационными расходами воздуха.

Диаметр пульповода также в значительной степени влияет на эксплуатационную производительность горнотехнологической скважины большого диаметра.

Как указывалось выше, освоение алмазных месторождений скважинами большого диаметра требует достаточно точной прогнозной оценки производительности подъема крупнокусковой алмазосодержащей гидросмеси в объеме глинистого монтмориллонитового бурового раствора повышенной плотности в процессе эрлифтирования.

Изучение сохранности алмазов, добытых на трубке им. Карпинского-1 в процессе апробации «метода выбуривания», проведено в спецлаборатории ОАО «Севералмаз» с использованием стандартного оборудования. Выборка кристаллов для исследований носила случайный характер и была произведена из далеко не лучшей партии добытого сырья (если судить по данным его аттестации в ГОХРАНе Минфина РФ). Результаты работ в сравнении с геологоразведочными данными отражены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика сохранности (целостности) алмазов

Наименование сравниваемых показателей Распределение (в %) по классам крупности мм В целом по всем классам

-16+8 -8+4 -4+2 -2+1

Количество кристаллов, шт 14 5 428 437 4135 801 3060 400 7637 1643

Целые 50 20 62 54 51 56 48 40 53 43

Природные деформации

Частично нарушенные 21 60 17 36 13 38 14 45 16 45

Обломки - 2 т 4 9 5 4 1

Техногенные деформации

Частично нарушенные - 3 2 7 2 6 2 4 1

Обломки - 1 4 8 3

Комбинированные деформации

Природные и техногенные нарушения 29 20 15 7 42 42 I 1 15 8 20 10

Примечание: в знаменателе выделены показатели алмазов, добытых ОАО «Севералмаз», к «обломкам» отнесены индивидуумы, нарушенные на 2/3 своего объема.

Приведенные данные однозначно указывают на отсутствие механических повреждений полезного компонента применявшимся шарошечным буром. При этом обращает на себя внимание очевидная неоднозначность в оценке целостности кристаллов в период детальной разведки и в настоящее время в позициях «целые» и «частично нарушенные» под воздействием природных процессов.

Базовая концепция предлагаемой методики расчета эрлифтного гидроподъема алмазосодержащей пульпы сводится к следующим основным положениям:

- учитываются скорости движения всех трех компонентов смеси: твердого, жидкости, воздуха;

- время всасывания воздуха в вертикальной трубе с учетом его истинного содержания;

- средняя плотность трехфазной смеси оценивается исходя из истинного объема воздуха в подъемной эрлифтной трубе с учетом скольжения фаз.

В результате анализа уравнения равновесия эрлифтной системы двухфазной (до смесителя) и трехфазной (после смесителя) смеси. С одной стороны, и наружного (вне подъемной трубы) призабойного давления, необходимый расход воздуха рассчитывается по выражению:

/

К

1 +

роф

V

где:

2Р

О /

А п ф.п

+

( А пЛ т-—0„

V Фп

т

£

+&

(9)

У0- потребный расход воздуха, м /с; ра - плотность бурового раствора, кг/м3; И - статический напор у смесителя, м; Р0 - атмосферное давление, Па; ш - обобщенный коэффициент

и = (Ш)

где:

Я -ускорение свободного падения, м/с2; О - диаметр эрлифта, м;

А.см - коэффициент гидравлического сопротивления для 3-х фазной смеси.

А - обобщенный коэффициент.

Ъ V

А = роЧ{Ь + Кь)~ рпчКъ(11)

V 2д

где:

ЬхЬ, ЬЬх - соответственно высота хвостовой (до смесителя) и верхней (после смесителя) части эрлифта, м;

р„ - плотность пульпы, кг/м3;

Л„ - коэффициент гидравлического сопротивления 2-х фазного потока (до смесителя эрлифта);

Уп - скорость двухфазного (жидкость - твердое ) потока, м/с;

Ф - обобщенный коэффициент

Ф=20„+0,35^67 (12)

С>п - расход пульпы (производительность эрлифта), м3 /с;

п - обобщенный коэффициент - площадь поперечного сечения подъемной трубы эрлифта, м2.

п = Р„Ф + К) (13)

Ь0 - высота подъемной трубы эрлифта над динамическим уровнем жидкости в эрлифте, м.

Анализ полученного выражения и сравнительная оценка расчетных (по выражению (9) и опытных данных различных исследователей эрлифтного подъема показала удовлетворительную сходимость (максимальное отклонение расчетных и опытных данных не превысило 8%, таблица 4).

Прогнозная (расчетная) производительность эрлифтного гидроподъема показывает, что искомая величина может быть достаточно высокая (около 24.310"3 м3/с по горной массе или 88 м3/ч, таблица 5) при диаметре подъемной трубы 400 мм.

Освоение алмазосодержащих участков месторождения им. Ломоносова горнотехническими скважинами большого диаметра предусматривает последующую гадрозакладку очистного пространства выбуренных скважин. Ведение таких работ с закладкой при надлежащей организации работ обеспечивает безопасное бурение смежных скважин с неустойчивыми боковыми стенками. Наличие значительных обнаженных поверхностей боковой стенки скважины и достаточно медленное бурение, характерное доя скважин большого диаметра, в большей степени интенсифицирует процесс выпучивания стенок.

Таблица 4

Оценка надежности применения расчетного уравнения эрлнфти-рования алмазосодержащей пульпы (сравнение с опытными данными В.Г.Гейера, В.А.Багдасарова, результатами немецких и _японских исследователей)_

Обозначения Показатели

Б, м 0.15 0.15 0.802 0.15 0.3 0.3 0.3

<Зт,м7с - - 0.08 - 2.02 10"3 12.Г10"3 4.0210'3

СЗж, м'/с 0.02 0.0303 0.407 60-Ю"3 0.177 0.255 0.191

У0,м3Ус 0.227 0.667 50 60-Ю"3 0.187 0.575 0.57

Нрасч.* М 22.8 167.1 725.8 37.6 174 50.8 74.5

Нопыт.? ^ 20 176 718 38 178 49.2 75.6

Таблица 5 Эксплуатационные параметры эрлифтного подъема (компрессор с давлением менее 20 ат.)

Обозначения Показатели

Дм 0.15 0.15 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4

(Зт,м7с 2.0310"3 4-10° 8.Г10'3 1010° 12,5-КГ 16Т0"3 24.310"3

<?ж,м3/с 0.025 0.0493 0.1 0.123 0.154 0.2 0.3

У0,м7с 0.082 0.41 0.4 0.63 0.5 0.72 0.91

где:

Б - диаметр подъемной трубы эрлифта, м; С)т , - соответственно производительность эрлифта по твердому и по пульпе, м3/с;

У0 - расход воздуха, м3/с.

Нрасч., НоПЫХ - соответственно расчетная и опытная высота подъемной трубы эрлифта, м.

Эффективность ведения горных работ с закладкой выработанного пространства определяется тем, насколько совершенна механизация буровых и закладочных работ. Для освоения такой технологии требуется в первую очередь наличие значительного количества дешевого закладочного материала и быстрое распределение его в выработанном пространстве скважины.

В качестве закладочного материала в наибольшей степени благоприятны пески или мелкая скальная порода с небольшим количеством частиц крупностью менее 0.074 мм. Традиционно для ведения закладочных работ гидравлическим методом на шахте или руднике используют специальный комплекс устройств. В закладочном комплексе объединяют следующие процессы: приготовление закладочной гидросмеси, подача ее в шахту, транспортирование по горным выработкам и намыв закладочного массива в выработанном пространстве.

Для ведения гидрозакладочных работ в очистном пространстве пробуренной горнотехнической скважины используются камерные питатели. Достоинством их работы является то, что твердый материал (заполнитель гидрозакладки) вводится в емкость питателя в сухом виде или в составе гидросмеси. Камера шлюзового аппарата одновременно является как сгустителем, так и смесителем гидросмеси. Такой аппарат подает высоконасыщенную гидросмесь по трубам, используя при этом только напорный водяной насос. При достаточно высоком давлении водяного насоса, гидросмесь шлюзовым аппаратом может транспортироваться на дальние расстояния (5-10 км) без использования дополнительных перекачных станций, как это принято при напорном гидротранспортировании. Кроме того, крупность перемещаемого твердого может быть достаточно большая и ограничивается только диаметром напорного трубопровода.

Непосредственно сущность работы шлюзового аппарата основана на предварительном заполнении твердым материалом камеры (при вытеснении воды через сливной патрубок), последующей ее герметизации и подачи в камеру напорной воды. Локальное гидровзвешивание твердого материала в плоскости всасывающего отверстия создает благоприятные условия для входа твердого материала в напорный трубопровод. Исходя из закона неразрывности, расход напорной воды, поступающей в камеру, должен соответствовать расходу пульпы (смеси воды и гидровзвешенного твердого), вытесненной в напорный трубопровод. Одновременно часть расхода рабочей воды (замещенной расходом твердого в объеме пульпы) движется восходящим фильтрационным потоком в слое твердого материала в камере.

Избыточное давление в камере определяет напорные возможности этого закладочного комплекса.

Разработанная концепция расчета шлюзового аппарата для гидрозакладки выбуренных скважин заключается в следующих основных положениях:

1. Определяется скорость вылета струи из выходного отверстия напорного водяного потока в слое твердого материала

и = J^¡2qAH (14)

где:

I - коэффициент расхода отверстия;

ЛН - перепад давления в слое горной массы в камере аппарата, м (необходимый избыточный напор для процесса гидровзвешивания твердого материала в объеме камеры аппарата).

АН = (1 - т)Ь Рт Р" (15)

Ро

где:

т - порозность слоя твердого; Ь - высота камеры аппрата, м; рх - плотность твердого, кг/м3.

2. Скорость гидровзвешивания твердого материала в плоскости всасывания равна:

и„ = , ч (16)

где:

<3Ж - расход жидкости, поступающей в камеру аппарата, м3/с; ^ > - соответственно, площадь сечения пульповода и камеры аппарата в плоскости всасывания (вытеснения) твердого материала, м2.

3. Расстояние от выхода рабочей струи до плоскости вытеснения твердого в напорный закладочный трубопровод определяется по формуле:

/ = (17)

ист 3.5

где:

ист - гидравлическая крупность частиц в плоскости всасывания, м/с;

с!0 - диаметр напорного трубопровода для воды, поступающей в камеру аппарата, м.

Основываясь на результатах опытно-промышленных работ, систематизированы экономические критерии оценки эксплуатационных затрат (по базовому и коммерческому варианту) (рис. 4).

5.0

£ 40

5 30

20

3 и

12 10 0.8 05 0 25 0

/2

. / / 1

\ / /3

N V

30 40 50 «I 80 100 120 140 160

Цена карата в долларах США

180

20 0

Рис. 4 Минимальное промышленное содержание алмазов в добытой руде. 1,2 - соответственно базовый и коммерческий варианты в ценах 1998 года; 3 - базовый вариант в ценах 1992 года (для тех же параметров скважины).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертации, физико-аналитических и опытно-промышленных исследований взаимозависимых параметров допустимого управляемого измельчения кристал-лосырья, эрлифтирования гидросмеси, давления бурового раствора и кратковременного поддержания выбуренного пространства закладкой в кимберлитовой трубке в процессе бурения горнотехнических скважин большого диаметра дано решение научной задачи создания эф-22

фективной разведочно-эксплуатационной технологии освоения месторождений алмазосодержащих руд, отвечающей эколого-экономическим требованиям развития минерально-сырьевого комплекса алмазной базы России.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. Обосновано, что наиболее эффективным методом освоения месторождений алмазосодержащего сырья Архангельского региона на стадии разведочно-эксплуатационных работ является бурение горнотехнологических скважин большого диаметра с возможностью сохранности ценного кристаллосырья от повторного переизмельчения на забое.

2. Экспериментально установлено, что способ крепления стенок скважины должен определяться из условия их кратковременной (на период бурения), а не длительной (как принято считать) устойчивости. Анализ опытных результатов измерения площади поперечного сечения скважины показал, что по глубине происходит некоторое изменение площади, но в целом имеет место устойчивая величина, которая статически остается неизмененной только в процессе ведения буровых работ.

3. Экспериментально установлено, что при бурении скважины с применением местных монтмориллонитовых высокоглинистых растворов, образующаяся на ее стенках глинистая корка снижает локальные концентрации напряжений и, как следствие, препятствует развитию размывающего процесса водообмена внутри и вне скважины.

4. Выявлено опытом, что вероятность устойчивости стенок скважины значительно возрастает при прекращении буровых работ и извлечения рабочего инструмента из скважины. Только в процессе бурения через глинистую корку на породный массив передается гидростатическое давление бурового раствора, чем достигается эффект крепления стенок скважины податливой крепью с сопротивлением податливости, равным гидростатическому давлению бурового раствора. Абсолютная величина смещения (выпора) стенок скважины подчиняется затухающей во времени экспоненциальной функции в среднем (за весь период бурения) составила 0,4 мм/сутки.

5. Установлено, что состояние массива ниже плоскости забоя имеет волновой характер проявления напряжений, что приводит к достаточно быстрому их проявлению в виде начального увеличения поперечного сечения скважины. Выявленные закономерности изменения напряжений в плоскости забоя показывают, что при прочих рав-

ных условиях глубина предельно деформированного забоя скважины достаточно интенсивно увеличивается с глубиной горных работ.

6. Аналитически установлено, что своевременное удаление крупного скола кимберлитов на забое возможно при использовании эрлифтного гидроподъема с различным диаметром его подъемной трубы и глубины подачи воздуха. Использование компрессоров небольших давлений и значительных расходов воздуха при разведочно-эксплуатационных работах горнотехническими скважинами большого диаметра достаточно эффективно только при использовании способа эрлифтного подъема с длинной всасывающей линией.

7. Аналитически установлено, что расчетное выражение эрлифтного гидроподъема алмазосодержащего сырья имеет достаточно хорошую сходимость с опытными данными только при учете истинных содержаний компонентов в двухфазной (во всасывающей линии эрлифта) и трехфазной (выше смесителя эрлифта) гидросмеси, а также учета потерь напора на поддержание твердого во взвеси, на трение и переподъем статическим уровнем жидкости по всей высоте существования двух и трехфазного потоков.

8. Выявлена необходимость и эффективность гидрозакладки очистного пространства смежных выбуренных скважин шлюзовыми аппаратами. Аналитическое расчетное выражение гидротранспорта крупно-кускового породозакладочного сырья загрузочными шлюзовыми аппаратами учитывает, с одной стороны, потери напора потока гидросмеси при гидротранспортировании до устья скважины. С другой стороны, расчет процессов пульпоприготовления и вытеснения в камере аппарата основывается на учете локального псевдоожижения твердого материала в плоскости всасывания и двойной фильтрации во всем объеме порового слоя аппарата.

9. Впервые в России примененная принципиально новая разведочно-эксплуатационная технология освоения месторождений алмазосодержащего сырья в Архангельском регионе на базе горнотехнических скважин большого диаметра на трубке им. Карпинского-1 позволила в короткий срок наработать промышленную партию 247 погонных метров скважины диаметром 4м, добыто 6328 т алмазосодержащей руды и извлечено в процессе обогащения более 8000 карат алмазов для изучения качества сырья, технико-экономических показателей обогащения и установления рыночной цены алмазов месторождения им. М.В.Ломоносова. Полнота извлечения составила 95% при полном обеспечении сохранности алмазов.

10. Высокая степень механизации новой технологии по сравнению с шахтным способом, мобильность применяемых буровых агрегатов и оборудования позволили значительно сократить сроки разведки месторождения при значительном снижении трудовых и материальных затрат, существенным повышением безопасности труда в связи с устранением необходимо самого присутствия людей в выбуриваемом пространстве.

11. На трубке им. В.Гриба (1997-1988гг.) проведена детальная разведка этого нового месторождения с использованием новой разведочно-эксплуатационной технологии с бурением восьми горнотехнических скважин большого диаметра общим метражом 1553 погонных метра.

12. Суммарный экономический эффект от внедрения новой разведочно-эксплуатационной технологии в Архангельской провинции составил 29,5 млн. долларов США с гарантированным годовым эффектом в 8,8 млн. долларов США.

По теме диссертации опубликованы следующие работы автора:

1. Авторское свидетельство СССР № 488012 от 23 июня 1975 года. Скважинный гидромонитор. (Соавтор Коваленко Е.С.)

2. Авторское свидетельство СССР № 1180508 от 22 мая 1985 года. (Соавторы Коваленко Е.С., Абдульманов И.Г. и др.)

3. Патент России № 2034149, 1993 год. Новая технология добычи алмазов. (Соавторы Литинский Ю.В., Мосинец В.Н. и др.).

4. Добыча алмазов способом выбуривания руды скважинами большого диаметра. Горный вестник № 6. М., 1998г. (Соавторы Литинский Ю.В., Иванов В.Г.).

5. Разработка и освоение экологически безопасных технологий оценочных, геологоразведочных и добычных работ с использованием скважин большого диаметра в Архангельской алмазоносной провинции. М. На соискание Премии Правительства Российской Федерации

1999 года в области науки и техники. 1999, 92 с. (Соавтор Форты-гин B.C.).

6. Методические основы оценки эрлифтного гидроподъема крупнокусковой горной массы с больших глубин. Горно-инфорационный аналитический бюллетень №3. г. Москва, МГТУ,

2000 г.

7. Особенности процесса гидрозакладки выработанного пространства алмазосодержащих трубок камерным питателем. Горно-инфорационный аналитический бюллетень № 3, г. Москва, МГГУ. 2000 г.

8. Особенности выноса грубодисперсного алмазосо-держащего шлама при разведочно-эксплуатационных работах. Материалы международной конференции ФТРиР МГГА, г.Москва, 2000 г.

9. Новый подход к разведке алмазных месторождений с использованием скважин большого диаметра. Доклады Академии наук. 2000 г., июнь.

10. Разработка и освоение эффективных технологий в Архангельской алмазоносной провинции. «Металлы Евроазии», № 3, 2000 г.

И. Garanin V.K., Kudryavtseva G.P., Krotkov V.V. et al. M.V.Lomonosov diamond deposit: ecological problems and new technologies. Abstracts of the International Conference on Applied Mineralogy. Gottingen, 2000 (in print).