Влияние сдвижения горных пород и земной поверхности на технологические процессы при скважинной разработке полезных ископаемых

Г.В. Орлов, (кандидат технических наук, профессор, Московский государственный горный университет)

 
Журнал Маркшейдерия и Недропользование

Эффективная разработка бедных и глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых целесообразна только на основе скважинных методов физико-химической геотехнологии (ФХГ) добычи, позволяющих вести процесс извлечения полезных ископаемых непосредственно на месте их залегания, повысить производительность труда, исключив присутствие людей и трудоёмкие производственные операции под землёй. В настоящее время эти методы имеют ограниченное применение, однако, как отмечал акад. Н.В. Мельников, они станут в ближайшие десятилетия основой технического прогресса при добыче многих полезных ископаемых.

Скважинные методы разработки твёрдых полезных ископаемых основаны на переводе их в подвижное состояние на месте залегания с последующей выдачей полезных компонентов из недр на земную поверхность через скважины. Перевод полезного ископаемого в подвижное состояние при скважинных методах осуществляют путём физического, химического, физико-химического или микробиологического воздействия. Промышленное применение нашли методы физико-химической геотехнологии: подземное выщелачивание цветных, редких и радиоактивных металлов, подземное растворение каменной и калийных солей, подземная выплавка самородной серы, подземная газификация каменных и бурых углей.

Определение рациональных параметров системы разработки, конструкции эксплуатационных скважин, режимов геотехнологических процессов возможно только на основе комплексного анализа параметров и свойств залежи (пласта) с учётом геологических, гидрогеологических, горнотехнических, технологических и экономических факторов. Основными элементами систем разработки являются: порядок отработки участков месторождения, конструкции эксплуатационных скважин, расстояния между скважинами и порядок их ввода в эксплуатацию, режимы технологических процессов.

Расположенные в определённом порядке эксплуатационные скважины для подвода агента к залежи и доставки полезного ископаемого (полезных компонентов) на земную поверхность образуют подземный выемочный блок:  камера при подземном растворении солей, газогенератор – при подземной газификации углей и т.п. На поверхности подземного выемочного блока расположены трубопроводы для подачи в скважины рабочего агента и транспортировки расплава, раствора, газа или других легкоподвижных компонентов полезного ископаемого, извлекаемых из недр.

Конструктивные особенности наземной и подземной частей выемочных блоков при скважинной разработке полезных ископаемых определяются спецификой каждого метода. Управление процессом добычи осуществляется с земной поверхности путём изменения параметров (давления, расхода, температуры, состава и др.), а также мест ввода рабочего агента и отбора флюида.

При шахтной добыче полезных ископаемых одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на эффективность технологии разработки, является сдвижение горных пород и земной поверхности над выработанным пространством. Ожидаемые характер и параметры процесса сдвижения горных пород определяют вместе с другими факторами выбор системы разработки, тип и параметры крепи выработок. Главное внимание при этом уделяется обеспечению безопасного ведения горных работ, полноты извлечения полезного ископаемого, а также сохранности зданий, сооружений, водоёмов и других наземных и подземных объектов, попадающих в область сдвижения.

Скважинные методы добычи исключают необходимость обеспечения безопасного ведения работ под землёй, а к остальным вопросам добавляются специфические, усиливающие по сравнению с шахтной разработкой значение фактора сдвижения подработанной толщи пород.

Наиболее полно изучено влияние сдвижения горных пород на процесс подземной газификации углей (ПГУ). В настоящее время опытные работы по ПГУ ведутся в Китае, Индии, Австралии, ЮАР; продолжает работать с 1961 года промышленное предприятие в Узбекистане – Ангренская станция «Подземгаз».

Основными стадиями процесса подземной газификации являются: бурение с земной поверхности на угольный пласт скважин, создание гидравлической связи между ними по угольному пласту, розжиг угольного пласта и ведение процесса газификации нагнетанием рабочего агента в одни скважины и отводом газа по другим скважинам. Рассмотрим влияние сдвижения горных пород на отдельные стадии процесса газификации. Как показал опыт промышленной эксплуатации подземных газогенераторов в условиях Подмосковного буроугольного бассейна и Средней Азии, при вскрытии угольного пласта и создании первоначальных каналов газификации бурение вертикальных скважин осуществляется в неподработанном породном массиве. С расширением каналов газификации происходит обрушение пород непосредственной кровли угольного пласта и сдвижение вышележащей толщи пород. В этих условиях вертикальные скважины для развития работ по выгазовыванию угольного пласта приходится бурить по подработанной породной толще с большими затратами.

Читать далее

© Г.В.Орлов, "Маркшейдерия и недропользование" № 6 - 2010г.