RU2014456C1

RU2014456C1 - Method for drill-hole hydraulic mining of mineral deposits

Info

Publication number: RU2014456C1
Authority: RU
Inventors: М.С. Беленький; Э.М. Вольницкая; В.И. Сафонов; Л.П. Тигунов; И.И. Толокнов
Original assignee: Вольницкая Элеонора Михайловна
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: a generator of elastic vibrations is placed into vertical drill-holes. Mining is intensified by exciting elastic pulsating pressure waves in drill-hole whose power spectra have rock dilution frequencies. Besides, pulsating pressure waves are excited simultaneously in two drill-holes spaced at a distance defined by a mathematical expression. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для добычи рыхлых, несвязанных или слабосвязанных пород через скважины. The invention relates to mining and can be used for the extraction of loose, unbound or loosely coupled rocks through wells.

Известен способ скважинной гидродобычи полезных ископаемых при неустойчивой кровле продуктивного пласта, включающий размыв и выдачу полезного ископаемого из скважины, выполняемый до провала покрывающих пород в выработанное пространство ниже кровли пласта и обнажения горизонта полезного ископаемого, после чего выполняется дополнительный размыв полезного ископаемого на обнаженном горизонте. There is a method of downhole hydraulic mining of minerals with an unstable roof of a productive formation, including washing out and issuing minerals from a well, performed before the collapse of the overburden in the mined space below the roof of the formation and exposing the mineral horizon, after which additional erosion of the mineral on an exposed horizon is performed.

Другим способом, наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и решаемой задаче, является способ добычи рыхлых и раздельнозернистых пород через скважины, включающий рыхление и доставку полезного ископаемого по трубам на поверхность и интенсификацию процесса добычи путем взрывания зарядов взрывчатого вещества, размещенных над разрабатываемой частью продуктивного пласта. Another method that is closest to the proposed one in terms of technical nature and the problem to be solved is a method for producing loose and coarse-grained rocks through wells, including loosening and delivering minerals through pipes to the surface and intensifying the production process by blasting explosive charges placed over the developed part of the reservoir .

Недостатками способа являются низкая эффективность и сложность технологии интенсификации процесса добычи, а также отрицательное экологическое воздействие этой технологии на окружающую среду. The disadvantages of the method are the low efficiency and complexity of the technology of intensification of the production process, as well as the negative environmental impact of this technology on the environment.

Низкая эффективность технологии обусловлена малой глубиной проникновения и быстрым затуханием в слагающих породах высокочастотных упругих колебаний (f ≥ 10³ кГц), возбуждаемых при взрыве, поскольку, коэффициент затухания α с ростом частоты f растет α ≈f².The low efficiency of the technology is due to the small penetration depth and fast attenuation in the constituent rocks of high-frequency elastic vibrations (f ≥ 10 ³ kHz) excited during the explosion, since the attenuation coefficient α increases with increasing frequency f ≈ f ² .

Кроме того, размещение зарядов в приповерхностном слое приводит к потере большей части (до 65%) излучаемой энергии и преобразовании ее в поверхностную волну, сосредоточенную в верхнем 10-20 м слое. Сложность технологии связана с необходимостью организации и проведения взрывных работ, осуществление которых помимо сложных организационных мероприятий создает отрицательные экологические последствия для поверхностного культурного слоя почвы. Указанные недостатки устранены предлагаемым способом. In addition, the placement of charges in the near-surface layer leads to the loss of most (up to 65%) of the radiated energy and its transformation into a surface wave concentrated in the upper 10–20 m layer. The complexity of the technology is associated with the need to organize and conduct blasting operations, the implementation of which, in addition to complex organizational measures, creates negative environmental consequences for the surface cultural layer of the soil. These disadvantages are eliminated by the proposed method.

Целью изобретения является увеличение объема добычи и уменьшение потерь полезного ископаемого, а также упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду. The aim of the invention is to increase production and reduce mineral losses, as well as simplifying the technology and reducing the negative environmental impact on the environment.

Поставленная цель достигается тем, что, как и в известном способе, скважинная гидродобыча включает бурение скважин, монтаж добычного оборудования, подачу на добычное оборудование энергетического компонента, разрыхление и доставку полезного ископаемого по трубам на поверхность. При этом в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта устанавливают генератор упругих колебаний и воздействуют на пласт возбуждаемыми в скважине упругими импульсными волнами давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород, а избыточное давление превышает значение, необходимое для их тиксотропного разупрочнения. Кроме того, импульсные волны давления возбуждают одновременно в двух удаленных друг от друга на расстояние L скважинах, при этом расстояние и частота разжижения пород f_o удовлетворяют соотношению L = (2n+1)

, где
v - скорость распространения упругих волн в пласте,
n = 0,1,2...This goal is achieved by the fact that, as in the known method, downhole hydraulic production includes drilling, installation of production equipment, supplying an energy component to the production equipment, loosening and delivery of minerals through pipes to the surface. In this case, an elastic oscillation generator is installed in the liquid-filled well in the interval of the productive formation and is applied to the formation by elastic pulse pressure waves excited in the well, the energy spectra of which contain the frequencies of rock dilution, and the excess pressure exceeds the value required for their thixotropic softening. In addition, pulsed pressure waves are excited simultaneously in two wells remote from each other by a distance L, while the distance and the frequency of the dilution of rocks f _o satisfy the relation L = (2n + 1)

where
v is the propagation velocity of elastic waves in the reservoir,
n = 0,1,2 ...

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного следующими новыми существенными признаками:
1. Размещением в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта генератора упругих колебаний.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the proposed method differs from the known following significant new features:
1. Placing in a fluid-filled well in the interval of the reservoir of the generator of elastic vibrations.

2. Воздействием на пласт возбуждаемыми в скважине импульсными упругими волнами давления, энергетические спектры которых содержат частоты разжижения пород, а избыточное давление на фронте волны превышает значение, необходимое для их тиксотропного разуплотнения. 2. The impact on the reservoir of pulsed elastic pressure waves excited in the well, the energy spectra of which contain the frequencies of rock dilution, and the excess pressure at the wave front exceeds the value required for their thixotropic decompression.

3. Возбуждением импульсных волн давления одновременно в двух удаленных друг от друга на расстояние L скважинах при условии, что расстояние L и частота разжижения пород f_р удовлетворяют соотношению L = (2n+1)

, где v - скорость распространения упругих волн в пласте.3. The excitation of pulsed pressure waves simultaneously in two wells remote from each other at a distance L, provided that the distance L and the rock dilution frequency f _p satisfy the relation L = (2n + 1)

where v is the velocity of propagation of elastic waves in the reservoir.

Совокупность новых существенных признаков с остальными существенными признаками позволяет решить новую техническую задачу - интенсифицировать процесс скважинной гидродобычи, упростив при этом технологию интенсификации и устранив отрицательные экологические последствия для поверхностного культурного слоя почвы. Авторам не известно использование указанных признаков в других областях техники. The combination of new essential features with other essential features allows us to solve a new technical problem - to intensify the process of downhole hydraulic production, while simplifying the technology of intensification and eliminating the negative environmental consequences for the surface cultural layer of the soil. The authors are not aware of the use of these features in other areas of technology.

Вышеуказанное позволяет утверждать о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "новизна" и "существенные отличия". The above allows us to confirm the compliance of the present invention with the requirements of the criterion of "novelty" and "significant differences".

Реализация способа поясняется следующим примером. Пусть разработка месторождения обводненных песков осуществляется методом скважинной гидродобычи. Общая схема добычи показана на фиг.1. Скважина 1 пробурена до продуктивного пласта 2 и в ней установлено добычное оборудование 3, например, гидроэлеватор, на который подают под давлением энергетический компонент, например, воду, разрыхляют полезное ископаемое и поднимают его на поверхность в виде гидросмеси. The implementation of the method is illustrated by the following example. Let the development of the flooded sand deposit be carried out by the method of downhole hydraulic production. The general scheme of production is shown in figure 1. Well 1 is drilled up to reservoir 2 and mining equipment 3 is installed in it, for example, a hydraulic elevator, to which an energy component, for example, water, is supplied under pressure, loosen the mineral and lift it to the surface in the form of a hydraulic mixture.

Вследствие образования отработанной камеры и сохранения на месте залегания в пласте упрочненных природной средой пород производительность добычи и степень извлечения полезного компонента снижаются в процессе отработки месторождения. Поэтому с целью интенсификации процесса добычи, в соответствии с предлагаемым способом, в скважине 1, в интервале пласта 2 устанавливают генератор упругих колебаний 4, например, скважинный пневматический источник КП-1, соединенный с модулем пневмоимпульсного оборудования 5 пневмомагистралью 6. Причем модуль 5 включает в себя компрессор высокого давления КР-2 и баллоны для сжатого воздуха. Подают к генератору 4 сжатый до высокого давления воздух и путем многократных, циклически повторяющихся выхлопов этого воздуха в заполненной жидкостью скважине в интервале продуктивного пласта возбуждают упругие импульсные волны давления, которые в случае источника КП-1 имеют следующие параметры: избыточное давление на фронте волны P_ш = 5 МПа, энергия одиночного воздействия К = 3 ˙ 10³ Дж, энергетический спектр в полосе частот 0≅f≅200 Гц, максимальная спектральная плотность энергии на частоте f_ш = 10 Гц, период повторения импульсов Т = 2-3 с. Энергетический спектр сигнала пневматического источника КП-1 изображен на фиг.2.Due to the formation of the spent chamber and the preservation of the rock hardened by the natural environment at the place of occurrence in the formation, the productivity of production and the degree of extraction of the useful component decrease during the development of the field. Therefore, in order to intensify the production process, in accordance with the proposed method, in the well 1, in the interval of the formation 2, an elastic oscillation generator 4 is installed, for example, a KP-1 downhole pneumatic source connected to the pneumatic pulse equipment module 5 by the pneumatic line 6. Moreover, module 5 includes high pressure compressor KR-2 and cylinders for compressed air. They are fed to the generator 4 air compressed to high pressure and by repeatedly cyclically repeating exhausts of this air in a fluid-filled well in the reservoir interval, elastic pressure pulsed waves are excited, which in the case of a KP-1 source have the following parameters: overpressure at the wave front P _w = 5 MPa, the energy of a single exposure K = 3 ˙ 10 ³ J, the energy spectrum in the frequency band 0≅f≅200 Hz, the maximum spectral energy density at a frequency f _w = 10 Hz, the pulse repetition period T = 2-3 s. The energy spectrum of the signal of the pneumatic source KP-1 is shown in Fig.2.

Водонасыщенные грунты, в частности пески, обладают способностью переходить в тиксотропное состояние при динамических воздействиях. При этом грунт приобретает свойства, аналогичные свойствам вязкой жидкости. Кроме того, экспериментально установлено, что грунты естественного залегания при динамических воздействиях обладают определенными доминантными частотами или частотами разжижения, связанными с внутренней структурой системы частиц. В случае песка частота основного структурного резонанса равна 25 Гц, а его ширина - 10 Гц. Как видно из фиг.2, энергетический спектр сигнала источника КП-1 включает в себя частоту основного структурного резонанса песка, спектральная плотность энергии сигнала в полосе частот основного структурного резонанса 25 ± 10 Гц велика. Water-saturated soils, in particular sands, have the ability to go into a thixotropic state under dynamic influences. In this case, the soil acquires properties similar to those of a viscous fluid. In addition, it has been experimentally established that naturally occurring soils under dynamic influences have certain dominant frequencies or dilution frequencies associated with the internal structure of the particle system. In the case of sand, the frequency of the main structural resonance is 25 Hz, and its width is 10 Hz. As can be seen from figure 2, the energy spectrum of the signal source KP-1 includes the frequency of the main structural resonance of the sand, the spectral density of the energy of the signal in the frequency band of the main structural resonance of 25 ± 10 Hz is large.

Под действием упругих волн давления жидкости частицы грунта и их агрегаты совершают вынужденные колебания, что приводит к смешению структурных элементов относительно равновесного положения, ослаблению их структурного сцепления и резкому снижению прочности грунта. Грунт переходит в разжиженное состояние, что обеспечивает равномерное поступление его к добычному оборудованию. Это позволяет интенсифицировать процесс добычи и уменьшает потери полезного ископаемого. Under the action of elastic waves of fluid pressure, soil particles and their aggregates undergo forced oscillations, which leads to a mixture of structural elements relative to the equilibrium position, weakening of their structural adhesion and a sharp decrease in soil strength. The soil goes into a liquefied state, which ensures its uniform flow to mining equipment. This allows you to intensify the production process and reduces the loss of minerals.

Согласно экспериментальным данным, при исследованиях на вибрационном стенде тиксотропное разуплотнение образцов пород наблюдалось при следующих значениях параметров вибрационных воздействий: частота колебаний 20 Гц, амплитуда смешения ζ = 0,6 мм, виброускорение ζ'' = =10 м/с². Для водонасыщенных песков с плотностью ρ = 2,6 ˙ 10³кг/м³ при скорости распространения упругих волн С = 2-18 ˙ 10² м/с и частоте f = 26 Гц величины ζ и ζ'' на расстоянии L = 50 см от источника составляют ζ = 6,8-61 мм и ζ'' = 4,2-15 ˙ 10² м/с² и соответственно ζ = 0,7-6 мм и ζ'' = 4,2-15 ˙ 10 м/с² на расстоянии L = = 5 см с учетом убывания амплитуды волны с расстоянием по закону P_ш = 1/L. Таким образом, избыточное давление на фронте волны, возбуждаемой пневматическим источником, обеспечивает смешение частиц и виброускорение, необходимое для тиксотропного разуплотнения пород.According to experimental data, in studies on a vibration bench, thixotropic decompression of rock samples was observed at the following parameters of vibrational influences: oscillation frequency 20 Hz, mixing amplitude ζ = 0.6 mm, vibration acceleration ζ '' = 10 m / s ² . For water-saturated sands with a density of ρ = 2.6 ˙ 10 ³ kg / m ³ at a speed of propagation of elastic waves of C = 2-18 ˙ 10 ² m / s and a frequency of f = 26 Hz, ζ and ζ '' at a distance of L = 50 cm from the source are ζ = 6.8-61 mm and ζ '' = 4.2-15 ˙ 10 ² m / s ² and, respectively, ζ = 0.7-6 mm and ζ '' = 4.2-15 ˙ 10 m / s ² at a distance L = 5 cm, taking into account the decreasing wave amplitude with a distance according to the law P _W = 1 / L. Thus, the excess pressure at the front of the wave excited by the pneumatic source provides particle mixing and vibration acceleration, necessary for thixotropic decompression of rocks.

Если разработка месторождения осуществляется с использованием системы скважин, то при одновременном возбуждении колебаний в двух скважинах эффективность волнового воздействия на пласт можно увеличить за счет интерференции и соответственно усиления волновых полей. Однако для этого разность хода (L) между колебаниями не должна превышать половины длины волны в среде (λ/2). Поэтому если расстояние между скважинами L, скорость распространения v и частота разжижения пород f_рбудут удовлетворять соотношению L =

, то в пространстве между скважинами произойдет усиление колебаний, что повысит эффективность волнового воздействия на пласт.If the development of the field is carried out using a system of wells, then with simultaneous excitation of oscillations in two wells, the effectiveness of the wave action on the formation can be increased due to interference and, accordingly, amplification of wave fields. However, for this, the path difference (L) between the oscillations should not exceed half the wavelength in the medium (λ / 2). Therefore, if the distance between the wells L, the propagation speed v and the frequency of fluidization of the rocks f _p will satisfy the relation L =

, then in the space between the wells amplification of oscillations will occur, which will increase the efficiency of the wave action on the formation.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает по сравнению с существующими способами увеличение производительности и уменьшение потерь полезного ископаемого, а также упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду. The use of the invention provides, in comparison with existing methods, an increase in productivity and a decrease in mineral losses, as well as a simplification of technology and a reduction in negative environmental impact on the environment.

Увеличение производительности добычи и уменьшение потерь полезного ископаемого по сравнению с прототипом обеспечивается за счет возбуждения низкочастотных (f = 200 Гц) упругих колебаний, включающих частоты основного структурного резонанса тиксотропного разупрочнения песков, и обладающих существенно большими зонами распространения и эффективного влияния. Упрощение технологии и снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду связано с устранением необходимости организации и проведения взрывных работ и сохранением поверхности его культурного слоя почвы. An increase in production productivity and a decrease in mineral losses compared with the prototype is ensured by the excitation of low-frequency (f = 200 Hz) elastic vibrations, including the frequencies of the main structural resonance of the thixotropic softening of the sands, and having significantly large areas of propagation and effective influence. The simplification of technology and the reduction of negative environmental impacts on the environment are associated with the elimination of the need for organizing and conducting blasting operations and preserving the surface of its cultural soil layer.

Claims

1. METHOD OF BOREHOLE HYDRAULIC PRODUCTION OF USEFUL FOSSILS, including drilling wells, installing production equipment in a waterlogged well, supplying an energy component, loosening and delivering minerals through pipes to the surface and intensifying the production process, characterized in that, in order to increase productivity while simplifying the technology and reducing the negative environmental impact on the environment, set in the well in the interval of the reservoir, the generator of elastic vibrations and they intensify the production process by exciting elastic pressure pulsed waves in the well, the energy spectra of which contain the frequencies of rock dilution, and the excess pressure at the wave front exceeds the value required for their thixotropic softening.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pulsed pressure waves are excited simultaneously in two wells remote from each other by a distance L, determined from the ratio
L = (2n + 1) v / 2f _p ,
where v is the propagation velocity of the elastic wave in the reservoir;
f _p - the frequency of thinning rocks;
n is a natural number.