Способ выемки твердого полезного ископаемого

СПОСОБ ВЫЕМКИ ТВЕРДОГО ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО Сергей Кимович, Шутин Сергей Георгиевич (BY) Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пластов, линз, куполов и других залежей твердого полезного ископаемого преимущественно шахтным методом. Предлагаемый способ включает бурение горизонтальной или наклонной скважины, оборудование скважины колонной труб, отражателем ударных волн, пакером,фонтанной арматурой, излучателем и генератором ударных волн, заполнение скважины и излучателя ударных волн рабочей жидкостью с наложением статического давления, воздействие на пласт ударными волнами и отбойку полезного ископаемого буровзрывным и/или механическим способом, отличающийся тем, что скважину бурят из подготовительной выработки в направлении отработки продуктивного пласта в пределах проектного контура очистной выработки, устье скважины изолируют от зоны обработки пласта пакером, в качестве рабочей жидкости,выполняющей роль волновода, используют смачивающую породы продуктивного пласта жидкость,на которую воздействуют статическим давлением, не превышающим предела упругости скелета пласта, обрабатывают продуктивный пласт ударными волнами, передаваемыми по колонне труб с поворотом их от отражателя в обрабатываемый участок пласта, при этом меняя в процессе волновой обработки ориентацию отражателя и его положение по длине скважины, создают трещиноватость в пределах проектного контура очистной выработки с заполнением образующихся трещин рабочей жидкостью под действием статического давления, капиллярных сил и импульсов ударной волны, тем самым, препятствуя их залечиванию, разуплотняя продуктивный пласт и снижая сопротивление его разрушению при выемке твердого полезного ископаемого, амплитуду ударной волны с учетом наложенного статического давления выбирают не менее предела упругости скелета пласта, а зону развития трещиноватости контролируют геофизическими методами,после завершения волновой обработки продуктивного пласта, разгрузки скважины и демонтажа скважинного оборудования осуществляют выемку твердого полезного ископаемого механическим или буровзрывным способом. Использование изобретения при разработке открытым и шахтным способом залежей различных твердых полезных ископаемых: природных солей, углей, сланцев и др. обеспечивает повышение эффективности добычных работ за счет снижения энергопотребления и увеличения срока службы оборудования и инструмента, а также сокращает сроки проходки очистных выработок. 017030 Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пластов, линз, куполов и других залежей твердого полезного ископаемого преимущественно шахтным методом. Известны способы подземной выемки твердого полезного ископаемого, в которых для извлечения руды используется только механическое (например, с помощью очистного комбайна) и /или буровзрывное воздействие на породы продуктивного пласта (с помощью зарядов взрывчатого вещества) [1]. Недостатками выемки только механическими средствами является низкая эффективность вследствие воздействия породоразрушающего инструмента на прочные монолитные ненарушенные породы полезного ископаемого. Следствием высокой прочности массива пород пласта является низкая скорость проходки шахтных выработок и, соответственно, небольшая производительность очистных работ. При этом требуется высокая энергооснащенность проходческой техники, обеспечивающая создание значительных усилий для внедрения режущего инструмента в породу продуктивного пласта. Это в свою очередь приводит к быстрому износу породоразрушающего инструмента и деталей кинематической схемы забойной техники. Недостатками способа выемки пласта только посредством бурения шпуров и взрывания размещенных в них зарядов (буровзрывной метод) является высокая опасность для персонала и оборудования,плохо контролируемый процесс воздействия на рудную залежь, и, как следствие, повреждения кровли и стенок выработки вплоть до их обрушения. Известен также способ выемки соляных пластов, позволяющий из шахтных выработок обнаруживать и растворять с помощью колтюбинговой техники опасные локальные геологические нарушения [2]. Недостатком этого способа является то, что при его осуществлении основной объем отрабатываемого пласта полезного ископаемого не изменяет своей структуры, оставаясь прочным и монолитным,вследствие чего данному способу присущи недостатки механической выемки твердого полезного ископаемого: низкая скорость и производительность проходки, высокий износ режущего инструмента и деталей оборудования, большая энергоемкость добычных работ. Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения проницаемости пластов и устройство для его осуществления [3] - прототип. Недостатком прототипа является то, что область его использования ограничена добычей ископаемых флюидов: нефти, воды или газа из разведочных или эксплуатационных скважин. Для использования при разработке твердых полезных ископаемых он не пригоден. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и сокращение сроков подземной выемки твердого полезного ископаемого. Для решения поставленной задачи в способе выемки твердого полезного ископаемого, включающем бурение горизонтальной или наклонной скважины, оборудование скважины колонной труб, отражателем ударных волн, пакером, фонтанной арматурой, излучателем и генератором ударных волн, заполнение скважины и излучателя ударных волн рабочей жидкостью с наложением статического давления, воздействие на пласт ударными волнами, и отбойку полезного ископаемого буровзрывным и/или механическим способом, скважину бурят из подготовительной выработки в направлении отработки продуктивного пласта в пределах проектного контура очистной выработки, устье скважины изолируют от зоны обработки пласта пакером, в качестве рабочей жидкости, выполняющей роль волновода, используют смачивающую породы продуктивного пласта жидкость, на которую воздействуют статическим давлением, не превышающим предела упругости скелета пласта, обрабатывают продуктивный пласт ударными волнами, передаваемыми по колонне труб с поворотом их от отражателя в обрабатываемый участок пласта,при этом, меняя в процессе волновой обработки ориентацию отражателя и его положение по длине скважины, создают трещиноватость в пределах проектного контура очистной выработки с заполнением образующихся трещин рабочей жидкостью под действием статического давления, капиллярных сил и импульсов ударной волны, тем самым препятствуя их залечиванию, разуплотняя продуктивный пласт и снижая сопротивление его разрушению при выемке твердого полезного ископаемого, амплитуду ударной волны с учетом наложенного статического давления выбирают не менее предела упругости скелета пласта, а зону развития трещиноватости контролируют геофизическими методами, после завершения волновой обработки продуктивного пласта, разгрузки скважины и демонтажа скважинного оборудования осуществляют отбойку твердого полезного ископаемого с помощью механических очистных устройств или буровзрывного оборудования. Предлагаемый способ основан на образовании трещин и микротрещин в породах продуктивного пласта под действием циклических волновых ударных импульсов, передаваемых от генератора ударных волн посредством рабочей жидкости в обрабатываемый участок этого пласта. В результате такого воздействия породы продуктивного пласта разупрочняются и могут быть извлечены с помощью механического выемочного оборудования (например, очистного комбайна) или буровзрывным методом. При этом разрушение пород происходит по ослабленным зонам пласта при сокращении времени выемки, снижении энергооснащенности оборудования, усилий на режущий инструмент и кинематическую схему (при механическом методе добычи и бурении шпуров) и мощности зарядов - в буровзрывном методе. Кроме того, в предлагаемом способе использован известный из физической химии эффект смачива-1 017030 ния жидкостью твердой поверхности и изменения при этом поверхностной энергии, открытый русским ученым П.А.Ребиндером. Благодаря эффекту смачивания рабочая жидкость проникает в трещины и микротрещины обрабатываемого ударными волнами пласта, препятствуя их закрытию (залечиванию), при этом проникшая в микротрещины рабочая жидкость создает дополнительное расклинивающее давление,благоприятствующее разрастанию трещин, дополнительно ослабляющее породы продуктивного пласта и способствующее их разрушению при последующей выемке. Этот процесс интенсифицируется действием статического и динамического (импульсного) давления, создаваемого в рабочей жидкости. Принципиальная схема заявленного способа применительно к подземной разработке полезного ископаемого изображена на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена схема обработки ударными волнами участка пласта при подготовке к выемке, а на фиг. 2 - один из возможных вариантов схемы отработки продуктивного пласта камерной системой на податливых целиках с использованием предлагаемого способа. На фиг. 1 и 2 позициями 1-21 обозначены подготовительная выработка 1, буровое оборудование 2,проектный контур 3 очистной камеры, скважина 4, колонна труб 5, отражатель 6 ударных волн, пакер 7,пласт 8 твердого полезного ископаемого, передвижная рама 9, фонтанная арматура 10, излучатель 11 и генератор 12 ударных волн, рабочая жидкость 13, блочные выемочные (очистные) штреки 14 и 15, блочный конвейерный штрек 16, разгрузочный штрек 17, поддерживающий целик 18, податливый целик 19. Направление прямой и отраженной волны показано стрелками, выработка 20, очистной комбайн 21. Способ осуществляют следующим образом. В подготовительной выработке 1 размещают буровое оборудование 2-колтюбинговую установку или иной станок для бурения горизонтально-наклонных скважин. В пределах проектного контура 3 очистной выработки в направлении отработки пласта бурят скважину 4, после чего буровое оборудование 2 демонтируют и скважину 4 оборудуют центрированной относительно оси скважины колонной труб 5 с отражателем 6 ударных волн и пакером 7 для изоляции устья скважины 4 от зоны обработки пласта 8 полезного ископаемого; передвижной рамой 9 и фонтанной арматурой 10; излучателем 11 и генератором 12 ударных волн, а скважину герметизируют и заполняют рабочей жидкостью 13 хорошо смачивающей породы продуктивного пласта (краевой угол смачивания от 0 до 90) и одновременно выполняющей роль волновода. На рабочую жидкость 13 воздействуют статическим давлением. Величину статического давления устанавливают таким образом, чтобы вызванное его воздействием напряжение в пласте не превышало предела упругости скелета пласта 8. Посредством генератора 12 и излучателя 11 возбуждают ударные волны (импульсы), передаваемые по колонне труб 5 с поворотом их от отражателя 6, в обрабатываемый участок пласта 8. Поскольку заполненная рабочей жидкостью 13 колонна труб имеет резкие границы в виде ее стенок, рассеивание энергии во внешнюю среду не происходит, и практически вся энергия ударного механизма генератора 12 переходит в энергию продольной ударной волны. При падении ударной волны на поверхность отражателя 6 она отражается по закону "угол падения равен углу отражения" и создает динамическое (импульсное) давление на обрабатываемый участок пласта 8. Для обеспечения активного трещинообразования в пласте 8 амплитуду ударной волны с учетом наложенного статического давления (сумму максимального динамического и статического давлений) выбирают не менее предела упругости скелета пласта 8. Энергия отраженной ударной волны, воздействуя на породы продуктивного пласта 8, вызывает его многократную деформацию, сопровождающуюся развитием трещиноватости. Под действием гидростатического и гидродинамического давлений в совокупности с капиллярным эффектом рабочая жидкость 13 заполняет трещины и микротрещины, создавая расклинивающее давление, препятствуя их закрытию и способствуя разрастанию. Меняя в процессе волновой обработки ориентацию отражателя 6 и его положение по длине скважины 4, создают трещиноватость в пределах проектного контура 3 очистной выработки, разуплотняя пласт 8 и снижая прочность слагающих его пород. Число циклов волнового воздействия и создаваемое им импульсное давление на пласт 8 определяют расчетным путем (в первом приближении) и/или экспериментально в зависимости от вида полезного ископаемого, упруго-прочностных свойств слагающих пород, условий залегания и строения пласта, его влажности и других параметров. При этом не допускают выхода зоны трещиноватости за пределы проектного контура очистной выработки. Контроль за развитием зоны трещиноватости осуществляют геофизическими методами. После завершения волновой обработки скважину 4 разгружают, откачивают рабочую жидкость 13 и демонтируют скважинное оборудование: передвижную раму 9, фонтанную арматуру 10, излучатель 11 и генератор 12 , а также вспомогательное оборудование (на фиг. 1 и 2 не показано). Разуплотненный и ослабленный описанным выше способом продуктивный пласт 8 отрабатывают с помощью механического или буровзрывного очистного оборудования. При этом, в случае применения механического очистного оборудования, уменьшается его необходимая установленная мощность, износ режущего инструмента и кинематических частей оборудования, сокращается время проходки очистных выработок. В случае применения буровзрывной отбойки полезного ископаемого снижается необходимая для разрушения пласта мощность зарядов, повышается безопасность и, также, сокращаются сроки проведения очистных работ. Предлагаемый способ может быть использован для отработки полезного ископаемого как камерной, так и столбовой системами, а также залежей различного типа: пластовых, линзовых, купольных и др.-2 017030 Пример. Использование предлагаемого способа для подземной разработки пласта калийной соли мощностью до 10 м камерной системой на податливых целиках иллюстрирует фиг. 2. Подготовка шахтного поля - панельная односторонняя с делением на блоки шириной 180 - 200 м,выемка - механическая комбайновая. Панель готовят тремя - четырьмя штреками, из которых один вентиляционный, один конвейерный и два - три транспортных (на фиг. 2 не показаны). Блоки готовят четырьмя разделенными трехметровыми целиками и перпендикулярными панельным, блоковыми штреками 14 - 17 с помощью очистных комбайнов. Первые два штрека 14 и 15 используют как выемочные (очистные), конвейерный штрек 16 оборудуют для транспортирования руды, а блоковый штрек 17 выполняют разгрузочным. Целики между штреками 14 - 16 прорезают с оставлением поддерживающих целиков 18. Выемочное пространство блока разбивают на очистные камеры в контурах 3, ширина которых определяется типом применяемого комбайна, высота - мощностью пласта 8, а между камерами проектируют податливые целики 19, ширину которых рассчитывают по известным методикам в зависимости от прочностных свойств продуктивного пласта 8, высоты камеры и других факторов. В очистном штреке 14, выполняющем роль подготовительной выработки 1, напротив торца проектного контура 3 очистной камеры устанавливают буровое оборудование 2, на всю проектную длину камеры по ее оси бурят скважину 4, например, диаметром 80-100 мм, которую после демонтажа бурового оборудования 2 оснащают, как описано выше. При этом отражатель 6 выполняют в виде конуса (или пирамиды), вершиной обращенного к колонне труб 5 и скрепленного с ней стержнями для обеспечения свободного прохода ударной волны из колонны труб 5 на отражатель 6 и беспрепятственного отражения ударной волны в пласт 8. Высоту конуса (длину отражателя 6) выполняют не менее длины ударной волны, диаметр основания - не более диаметра скважины 4, а ось ориентируют вдоль оси скважины 4. Выбор отражателя 6 в виде пирамиды позволяет более точно приблизить контуры зоны трещиноватости к проектному контуру 3 очистной камеры при значительном превышении ширины очистной камеры над ее высотой. Скважину 4 и излучатель 11 заполняют рабочей жидкостью 13 (маточным рассолом, после обогащения сильвинита) и налагают статическое давление, меньшее определенного экспериментально предела упругости скелета пласта 8. Затем обрабатывают участок продуктивного пласта 8 в пределах проектного контура 3 очистной камеры ударными волнами, как описано выше. Для чего предварительно экспериментальным путем (или по ранее полученной калибровочной зависимости от комплекса свойств продуктивного пласта 8) в установленных формулой изобретения пределах определяют наиболее эффективные параметры ударной волны и статического давления рабочей жидкости 13. Параметры ударной волны при необходимости корректируют в процессе волновой обработки. При этом частоту ударных импульсов согласовывают с частотой вынужденных колебаний пород пласта 8. По завершении волновой обработки полезного ископаемого в контурах 3 очистной камеры демонтируют волновое и скважинное оборудование. Перечисленные операции повторяют для всех очистных камер блока. По завершении обработки всех камер их тупиковые концы соединяют выработкой 20 и производят последовательную выемку из очистных камер разуплотненных и ослабленных пород твердого полезного ископаемого пласта 8 очистным комбайном 21 с доставкой руды из блока по технологической цепи: комбайн - бункерперегружатель - самоходный вагон - блоковый конвейер - панельный конвейер (на фигурах не показаны). Предложенный способ может быть многократно использован при разработке открытым и шахтным способом залежей различных твердых полезных ископаемых: природных солей, углей, сланцев и др. При этом обеспечивается повышение эффективности добычных работ за счет снижения энергопотребления и увеличения срока службы оборудования и инструмента, а также сокращение сроков проходки очистных выработок. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ выемки твердого полезного ископаемого, включающий бурение горизонтальной или наклонной скважины, оборудование скважины колонной труб, отражателем ударных волн, пакером, фонтанной арматурой, излучателем и генератором ударных волн, заполнение скважины и излучателя ударных волн рабочей жидкостью с наложением статического давления, воздействие на пласт ударными волнами и отбойку полезного ископаемого буровзрывным и/или механическим способом, отличающийся тем, что скважину бурят из подготовительной выработки в направлении отработки продуктивного пласта в пределах проектного контура очистной выработки, устье скважины изолируют от зоны обработки пласта пакером, в качестве рабочей жидкости, выполняющей роль волновода, используют смачивающую породы продуктивного пласта жидкость, на которую воздействуют статическим давлением, не превышающим предела упругости скелета пласта, обрабатывают продуктивный пласт ударными волнами, передаваемыми по колонне труб с поворотом их от отражателя в обрабатываемый участок пласта, при этом, меняя в процессе волновой обработки ориентацию отражателя и его положение по длине скважи-3 017030 ны, создают трещиноватость в пределах проектного контура очистной выработки с заполнением образующихся трещин рабочей жидкостью под действием статического давления, капиллярных сил и импульсов ударной волны, тем самым, препятствуя их залечиванию, разуплотняя продуктивный пласт и снижая сопротивление его разрушению при выемке твердого полезного ископаемого, амплитуду ударной волны с учетом наложенного статического давления выбирают не менее предела упругости скелета пласта, а зону развития трещиноватости контролируют геофизическими методами, после завершения волновой обработки продуктивного пласта, разгрузки скважины и демонтажа скважинного оборудования осуществляют отбойку твердого полезного ископаемого с помощью механических очистных устройств или буровзрывного оборудования.