Способ подземной разработки рудных месторождений подземным выщелачиванием

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при добыче полезных ископаемых подземным выщелачиванием. Способ включает бурение вокруг рудного тела скважин, размещение в них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного напряжения и обработку пласта вибровоэдействиями в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании раствора ПАВ. Затем подают выщелачивающий раствор и одновременно воздействуют колебаниями на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела. Новым является то. что перед закачкой выщелачивающего раствора на глубине расположения рудного тела осуществляют гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость добавляют 50-70% азота или углекислоты при низких или высоких скоростях инжекции соответственно. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 43/28

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4936338/03 (22) 18,04.91 (46) 15.08.93. Бюл. N. 30 (75) А.В.Бакулин и В.Н,Бакулин (73) А,В.Бакулин (56) Строительство и эксплуатация рудников подземного выщелачивания. М.; Недра, 1987, с. 25-29.

Авторское свидетельство СССР

М 1794182; кл. Е 21 В 43/28, 1989. (54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ

РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕМ (57) Изобретение относится к.горной промышленности и может быть использовано при добыче полезных ископаемых подземным выщелачиванием. Способ включает буИзобретение относится к горному делу и может быть использовано для извлечения полезных компонентов из подземных формаций бесшахтным способом с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации во флюидосодержащих породах.

Цель изобретения — повышение эффективности разработки за счет увеличения проницаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшения гидро- и аэродинамических связей пласта.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где 1 — горный массив; 2 — рудный пласт; 3- скважина; 4 — обсадная труба: 5тампонажный раствор в виде редкоземельного вещества или из соединений. заполняющих заколонное пространство между

„„Я3 „„1834972 АЗ рение вокруг рудного тела скважин, размещение в них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного на-пряжения и обработку пласта вибровоэдействиями в диапазоне 60 — 1500 Гц при нагнетании раствора ПАВ. Затем подают выщелачивающий раствор и одновременно воздействуют колебаниями на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела. Новым является то, что перед закачкой выщелачивающего раствора на глубине расположения рудного тела осуществляют гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость добавляют 50 — 707, азота или углекислоты при низких или высоких скоростях инжекции соответственно. 6 з.п. ф-лы, 5 ил. стенкой скважины и обсадной трубой; 6— виброисточники; 7 — компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7; 8 — электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников; 9 — информационно-вычислительный комплекс; 10— импульсный источник напряжения; 11, 12— электроды; 13 — лазернакачки; 14 — световод для подачи луча лазера в жидкость скважины.

На фиг. 2 приведено сечение обсадной трубы 4 с нанесенной на ее поверхность слоев 15, 16 редкоземельного вещества, обладающего гигантской магнитострикцией.

На фиг. 3 приведены пороги кавитации для различных диапазонов частот в массиве горных пород; на фиг. 4 — экспериментальные результаты поведения радиуса кавита1834972 ционного пузырька P Bo времени при постоянном давлении Ро на частоте 5 кГц, где кривая 1 получена при Ро = 10 Па, кривая 2

5 — Ро 5 10 Па, кривая 3 — при Pp = 10 Па, 5 6

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и главные векторы 1 и 2 в рудном пласте, где требуется вызвать колебания и повысить проницаемость руд и вмещающих пород.

В пласте 2 бурят скважину 3, армируют ее обсадной трубкой 4 и заполняют пространство между обсадной трубой 4 и стенкой скважины 3 . редкоземельным

-веществом или их соединениями, обладающими гигантской магнитострикцией, применив в качестве вяжущего тонкозернистый цемент в количестве 5-7;(, вставляют в редкоземельное вещество электроды 11, 12 от источника возбуждающего импульсного напряжения 10.и подают на редкоземельное вещество возбуждающее напряжение от

500 до 5000 B и возбуждают мощные упругие колебания в рудном пласте.

По глубине скважины 3 с шагом 1/8 длины волны основной частоты, излучаемой в пласт, размещают невзрывные сейсмические источники 6 с частотами 60-1500 Гц, причем. от 3 до 16 j асей запасенной в источник энергии подаваемой от компрессора

7 высокого даеления ЭУ-5 или ЭУ-7 — от 60 до 300 атмосфер и более переходит в сейсмические колебания в рудный пласт 2. Глубина размещения источников — давлением столба жидкости в скважине оказываемой на виброисточник б,регулируют частоту колебаний в выбранном диапазоне частот, причем,давление для диапазона частот 60-1500 Гц составляет 10-250 атмосфер. Источники 6 при скорости P-волн равной в жидкости

1500 м/с и длинах волн на частотах 60 — 1500

Гц равных соответственно 1 и 25 м разме,, щают на удалении друг от друга примерно 3 м„что в свою очередь вызвано тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений, генерируемое источником, распределено равномерно и работу группы таких виброисточников легко синхронизировать. Время воздействия — время синхронной работы группы виброисточников 6 контролируют с использованием электронного пульта управления 8.и ИВК 9, и оно зависит от обводненности пласта и геомеханических условий его залегания — горным давлением, обусловленным весом вышележащих пород на пласт. С помощью ИВК 9 осуществляется синхронизация работы группы источников 6 посредством сопоставления эталонных импульсов давления, полученных в лабораторных условиях и импульсами давления, получаемыми в скважине 3, причем по заранее введенной в ИВ К 9 программе осуществля5 ют корректировку работы группы виброисточников в процессе воздействия в выбранном диапазоне частот. С использованием Фурье преобразователей, входящих составной частью в ИВК 9, определяют

10 спектры получаемых сигналов, сопоставляют их с эталонными и производят корректировку синхронизации работы группы виброисточников при вибровоздействиях на пласт 2 в совокупности с нагнетанием в

15 пласт разупрочняющих растворов — ПАВ. горячей воды при Т- 80 С, кислот гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом нагретых до 180 С и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при кото20 ром деформации сжатия пласта переходят в деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости пласта, после чего переходят на частоту вибровоздейст, вия, равную частоте собственных колебаний пласта, и вибровоздействия производят в совокупности с нагнетанием выщелачивающих растворов. Для повышения эффективности способа вибровоздействия осуществляют из скважин 17 с размещенны30 ми в них виброисточниками, и заполненными жидкостью 18 (см. фиг. 5), окаймляющих пласт с его торцов, при этом встречные вибровоздействия осуществляют попеременно сначала с одной стороны, а затем с другой рудного пласта, настраивая колебания в резонанс с собственными колебаниями рудного тела. При подаче в скважины выщелачивающего раствора время вибровоздействия с каждой стороны пласта огра40 ничивают временем миграции растворов по пласту, что в свою очередь позволяет сни-- зить расход реагента за счет его непроизводительных .по сравнению потерь при обычных условиях, когда реагент нерационально расходуется при растекании в поры и трещины вмещающих йород за пределами пласта.

В тех случаях, когда проницаемость руд и вмещающих пород очень незначительна— породы и пласт находятся в значительной глубине — в пласте производят импульсный массированный гидрораэрыв (ИМГ), для чего приводят локальный участок рудного пласта в возбужденное состояние в диапазоне

55 60-1500 Гц и нагнетают в скважину рабочую жидкость с добавкой в нее 50-75 газов под давлением, причем при низких скоростях инжекции нагнетают азот, а при высоких — углекислоту, что позволяет снизить вязкость пластовой жидкости и увеличить ее

1834972

35

50

55 тичными для всех виброисточников в группе и вибровоздействия производят при неизменных контактных условиях в режиме напления упругой энергии, что позволяет качать упругую энергию в пласт достаточю для того, чтобы эффективно воздействого пласта и увеличения его гидро- и аэроди- ко намических свойств в разупрочняющие и за аыщепачиаающие реотеоры при нагнетании ну диффузионные свойства — проникания в поры и трещины пласта. При нагнетании рабочей жидкости в скважину гидроразрыва вибровоэдействия осуществляют на частоте собственных колебаний нагнетания жидкости, причем, с помощью И8К 9 осуществляют синхронизацию работы группы виброисточников и при этом выбирают оптимальный режим нагружения, при котором не индуцируются остаточные напряжения и осуществляют контроль скорости нагружения пород в пласте месте проведения импульсного гидроразрыва; скорость изменения поперечного сечения магистральной трещины гидроразрыва; определяют ширину трещины в процессе гидроразрыва для пористой руды и вмещающих пород, степень ее раскрытия, коэффициент интенсивности напряжений, поле напряжений в месте гидроразрыва, энергию, затрачиваемую на гидраразрыв, изменение вязкости жидкости гидрорэзрыва, перенос тепла в пористой руде и вмещающих породах и распределение температурь1 на поверхности трещины гидроразрыва.

При синхронной работе группы виброисточников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения напряжения в пласте равном не менее

0,5 от разрушающих для руд и пород. слагающих пласт с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления и не разрушить стенки скважины, Колебания вызывают в пласте относительную подвижку структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и частичную дегацию пласта, Эти явления имеют место как при работе группы виброисточников, так и в случае работы одиночного источника.

Для того, чтобы снизить вязкость выщелачивающих растворов и увеличить их диффундирующую способность в поры и трещины пласта посредством редкоземельного вещества 5. размещенного в заколонном пространстве скважины 2 либо нанесенным в виде слоев 15, 16 на поверхность обсадной трубы 4 посредством подведенного к редкоземельному веществу возбуждающего напряжения через электроды 11, 12 от источника 10 возбуждают мощные ультразвуковые колебания в диапазоне от 0,9 до 12 кГц, что снижает вязкость растворов 10-60 .

Для увеличения трещиноватости рудчо5

20 добавляют до 1 $ раскликивающих агентов с размерами частиц 0,03 — 0,5 мм и плотностью 2600-4800 кг/ м, чтобы не дать порам з и трещинам закрыться, и кроме того, оки служат новыми концентраторами трещин и способствуют увеличению проницаемости пласта.

Размещение редкоземельных веществ в заколонном пространстве осуществляют при низком уровне вибровоздействий составляющих 0,1-0,2 от разрушающих напряжений для руд и пород, слагающих пласт, и в совокупности с нагнетанием в заколонкое пространство редкоземельного вещества с вяжущим в виде тонкоземельного цемента в количество 5 — 7ф, и заполняют пространство между стенкой скважины, и обсадной. трубой.

Нанесение редкоземельного вещества толщиной 3-5 см на поверхность обсадной трубы производят посекционно с шагом 712 м на глубине размещения обсадных труб на глубике рудного пласта и подавая на редкоземельное вещество возбуждающее напряжение посредством электродов от источника напряжения возбуждают электромагнитные колебания до 50% энергии которых переходят в упругие колебания и работают в выбранном диапазоне частот,изменяя частоту и величину возбуждающего напряжения возбуждают частоты от 900 до

12000 Гц,причем, если упругая волна встречает на своем пути участки нагретых руд и пород в пласте возникают каватирующие процессы в виде микро- и макроударных волн и потоков флюидов — жидкостей и газов, содержащихся в парах и трещинах пласта, и способствующих резкому увеличению проницаемости рудного пласта и вмещающих пород и повышения КПД извлечения полезного компонента из пласта.

Работу группы виброисточников контролируют до, во время и после вибровоздействия геомеханическими и геофизическими методами исследований: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; сейсмическими методами или методами с использованием сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии, измеряя при этом температуру и химический состав реагента и скважинах, что позволяет судить об эффективности процесса выщелачивания, Параметры вибровоздействия — частоту, интенсивность и длительность — задают идек1834972 вать на процессы перемещения-миграции флюидов во всем объеме пласта, отчего зависит КПД извлечения полезного компонента при разработке рудных месторождений подземным способом.

Таким образом, пласт обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок, что способствует увеличению трещиноватости и проницаемости пласта и повышению КПД извлечения полезного компонента до 98% по сравнению с известными классическими способами выщелачивания.

В случае расположения .пласта на значительной глубине и низкой проницаемости руд и вмещающих пород перед нагнетанием в них реагентов осуществляют термоциклическое воздействие на пласт в совокупности . с вибровоздействиями, причем;холодную и горячую воду нагнетают в пласт из скважин, окаймляющих пласт на его торцах (фиг. 5),и термоциклическое нагнетание осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта — оптимальной проницаемости пласта. При нагнетании в пласт холорой воды в объемах, превышающих 10 м величины главных напряжений уменьшаются в охлажденной руде и породе на 20 — 60%, что облегчает создание трещин в рудном пласте и удержание их в зоне охлаждения в течение 4-6 ч.

Комплексное использование целого ряда способов вибровоздействия на пласт в сочетании с нагнетанием разупрочняющих и выщелачивающих растворов позволит значительно снизить энергоемкость процесса и увеличить его производительность.

Сущность способа состоит в том, что при распространении мощных вибрационных колебаний в пласте возникают волны растяжения и сжатия, которые воздействуют на флюиды — жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах пласта, как тектонический насос способствующий их

У миграции в массиве на несколько порядков сильнее, «ем в отсутствие волны. Миграция флюидов в порах и трещинах приводит к изменению порового давления и, как.правило, к изменению прочностных свойств руд и пород, окружающих эти поры и трещины, то есть на пути мигрирующих флюидов имеют место перераспределение поля упругих напряжений на пути распрастранения упругих волн; частичная дегэзация локального участка пласта или массива, подверженного вибровоздействиям, то есть истечение газов из пор и трещин пород; кавитирующие процессы при определенных начальных и граничных условиях, Для того, чтобы инициировать кавитирующие процессы в пласте возбуждают мощные ультразвуковые колебания лучом лазера от лазера накачки 13 и посредством световода 14 возбуждают в жидкости скважины свегидравлический эффект, результатом чего являются мощные упругие колебания в ультразвуковом диапазоне частот от 1 до 20 кГц, причем параметрами

10 кавитирующих процессов управляют, изменяя частоту и интенсивность луча лазера, Преимущества способа состоят в том, что размещение виброисточников по предлагаемому способу позволяет создать оптимальные условия для генерации колебаний

15 в выбранном диапазоне частот в режиме накопления; управляют состоянием и свойствами рудного пласта в процессе выщелачивания; улучшить гидро- и из пласта и снизить энергоемкость процесса.

Использование изобретения позволит

25 -значительно снизить энергоемкость процесса, увеличить его производительность и снизить сроки отработки месторождения по сравнению с известными классическими, традиционными способами выщелачивания. Формула изобретения

1. Способ подземной разработки рудных месторождений подземным выщелачиванием, включающий бурение вокруг рудного тела скважин, размещение в них невзрывных сейсмических источников с ориентированием их осей в направлении максимального главного напряжения рудного тела и обработку пласта вибровоздей30

35 ствиями в диапазоне 60-1500 Гц при нагнетании в него раствора поверхностноактивного вещества до смены деформаций сжатия в рудном теле деформациями растяжения, заполнение скважин упруговязкой

40 средой. подачу выщелэчивающего раствора с обработкой рудной массы вибровоздействиями на частоте, равной частоте собственных колебаний рудного тела, и откачку рродуктивного раствора, о т л и ч а ю щ и й50

55 с я тем, что, с целью повышения эффективности разработки за счет увеличения и роницаемости и трещиноватости руд и вмещающих пород и улучшения гидро- и аэродинамических связей пласта, перед подачей выщелачивающего раствора на глубине расположения рудного тела осуществляют импульсный гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость гидроразрыва добавляют 5070% азота при низких скоростях инжекции или углекислоты при высоких скоростях.

2ф;"аэродинамические свойства пласта; повысить КПД извлечения полезного компонента, 1834972

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в упруговязкой среде скважины на глубине разработки пласта возбуждают мощные ультразвуковые колебания и снижают вязкость пластовой жидкости на 10—

60 .

3. Способ по и. 1, отличающийся тем, что, с целью облегчения создания в рудном пласте трещин и их удержания в течение 4 — 6 ч путем уменьшения величины главных напряжений на 20-60% в рудный пласт нагнетают воду в объемах, превыша„10 ммз

4. Способ по п.З, о тл и ч а ю шийся тем, что осуществляют циклическое нагнетание холодной и горячей воды в пласт, причем холодную воду нагнетают из скважин, окаймляющих рудный пласт на одном его торце, в горячую воду иэ скважин, окаймляющих пласт на другом его торце, и термоциклическое нагнетание холодной и горячей воды осуществляют в течение времени, при котором достигают оптимальную проницаемость рудного пласта.

5. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в разупрочняющие растворы ПАВ добавляют до 1,0% расклинивающим агентов с размерами частиц 0,03-0,5 мм плотностью 2600 — 4800 кгlм, з

5 6. Способ по и. 4, отличающийся ,тем, что инициируют в рудном пласте при нагнетании нагретых растворов кавитирующие процессы, которые имеют место на пути распространения в пласте мощных

10 ультразвуковых колебаний в диапазоне 0,9—

12 кГц и определяют энергию кавитирующего пузырька, образующегося в зоне разрежения и схлопывающегося в зоне сжатия упругой волны из соотношения

Е-IlPoR 4/3, где Ро — геостатическое давление à порах и трещинах пласта в отсутствие упругой волны, кг/см;

20 R —. размер кавитирующего пузырька, мм.

7. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что до. во время и после вибровоздействия на рудный пласт измеряют напряжен25 но деформированное состояние, температуру и химический состав реагента.

1834972 ч

4, РЮ

А юю ф

ru

%b 0

Р ф авиа,У фее 2 фЫю ф

Составитель А.Бакулин

Редактор С.Кулакова Техред M.Mîðãåíòàë

Корректор М.Андрушенко

Заказ 2708 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101