Перспективы развития горно-добывающих отраслей

Разрушение горного массива методом флюидоразрыва.В настоящее время на отечественных карьерах блоки горных пород высокой прочности (граниты, диориты, сиениты, габбро и др.) добываются из массива и раскалываются на части буровым, буроклиновым и буровзрывным способами. Эти технологии характери­зуются низкой интенсивностью, высокой трудоемкостью и, главное, большими отходами сырья. Выход товарных блоков из массива обычно не превышает 20-25%.

В ИГД СО РАН разработан метод и технические средства ори­ентированного флюидоразрыва породного массива (ОФР). Этот метод позволяет получить ориентированные трещины протяженно­стью до 25 и даже 50 м и может послужить основой для создания технологии и технических средств отделения от массива и раздел­ки блоков горных пород любой прочности.

Для проведения ориентированного флюидоразрыва в горной породе бурят скважину или шпур (рис 2.30). На нужную глубину в них вводят специальное устройство, с помощью которого в породе прорезают инициирующую щель с заданными параметрами и ори­ентировкой обычно нормально к оси шпура. По обе стороны от щели шпур герметизируют, перекрывая его, например, пакерами. В загерметизированный участок шпура через трубу, подсоединенную к высоконапорному насосу, подают флюид (текучее вещество) под давлением. По мере роста давления флюида в межпакерном про­странстве происходит повышение концентрации растягивающих напряжений в приконтурной части щели. При достижении определенного уровня напряжений происходят разрыв и образование трещины в заданной плоскости. Давление флюида в момент раз­рыва является максимальным. Эта важная особенность подтверж­дена экспериментально. Результаты многочисленных эксперимен­тов на искусственных и природных материалах показали, что с ро­стом разрыва уменьшается удельная энергия, затрачиваемая на образование поверхностей создаваемой трещины.

Заполненная флюидом под давлением инициирующая щель образует поле напряжений, которое обусловлено ее ориентацией, размерами и радиусом закругления в вершине, а также давлением флюида. Теоретически для снижения начального (максимального) давления флюида в момент разрыва горной породы площадь по­верхности инициирующей щели должна быть наибольшей, а радиус закругления в ее вершине — наименьшим. Предельные значения здесь обусловлены возможностями технических средств и эконо­мической целесообразностью.

Рис. 2.30. Схема разрыва горной породы пластичным флюидом:

1 — горная порода; 2 — шпур; 3 — труба; 4 — пакер; 5 — инициирующая щель; 6 — цилиндр с поршнем, разделяющим пластичный флюид и масло; 7 — соединительная трубка;

8 — маслостанция; 9 — линия предполагаемого разрыва горной породы

Создавая через шпуры (скважины) в породном массиве иници­ирующие щели, боковые поверхности которых параллельны поверхностям обнажения, и нагнетая в них флюиды, методом ОФР мож­но отделять от массива блоки с заданными размерами (рис. 2.31).

Следует отметить, что не бывает горных пород без»естествен­ных трещин. Природные трещины также возможно использо­вать для отделения породных блоков от массива, применяя ме­тод флюидорасчленения(ФР). Этот способ не требует прорезания инициирующих щелей. Нагнетание флюида производится в естественные трещины, в результате чего происходит расчле­нение массива с отделением от него блоков. Межпакерный про­межуток шпура должен точно совпадать с местом расположе­ния трещины, подвергающейся расчленению. Рациональное со­четание методов флюидорасчленения и флюидоразрыва масси­ва позволит создать технологию добычи блочного камня любой прочности. Необходимость практической реализации метода ОФР потре­бовала создания специального оборудования. Для осуществления ориентированного флюидоразрыва необходимо располагать уст­ройствами для прорезания в породе инициирующей щелина стен­ках ранее пробуренных скважин и шпуров. Для образования ее предложено использовать следующие принципы: механический, гид­роструйный и формирующий.

Механические щелеобразователи, основанные на резании по­роды, подсоединяются к буровой штанге, которая вращается буро­вым станком. Щелеобразователь, вращаясь вокруг оси внутри шпу­ра или скважины, создает на их стенках щель заданного диаметра и формы. Щелеобразователи обладают различными конструктив­ными особенностями, зависящими от диаметра шпура (скважины), глубины, на которой прорезается инициирующая щель, прочности породы и других факторов. Сегодня к достаточно надежным мож­но отнести как минимум три вида работоспособных механических щелеобразователей (рис. 2.31).

Рис. 2.31. Схема отделения блоков камня от массива на карьере:жирной линией отмечены трещины флюидоразрыва

Метод ориентированного флюидоразрыва породных массивов обладает следующими достоинствами. Безопасность. Разрушение пород жидкими и пластичными флю­идами, практически не обладающими собственной энергией, безо­пасно само по себе — даже для людей, находящихся в самом близком контакте с местом проведения флюидоразрыва.

Экологическая чистота. Метод безвреден для людей в санитар­но-гигиеническом отношении (отсутствуют шум, выделение вред­ных газов и пыли).

Низкая энергоемкость разрушения пород. Это обусловлено тем, что разрушение горной породы осуществляется растягива­ющими усилиями и без образования попутных микротрещин. Поверхности разделенного блока, лишенные наведенной трещиноватости, имеют высокую прочность. Последняя особенность имеет самостоятельное значение. Представляется вероятным, что энергоемкость разрушения пород методом ОФР является

самой низкой по сравнению с ныне применяемыми способами разрушения. Однако окончательный ответ на это могут дать результаты промышленных испытаний и внедрения метода на производстве.

Возможность комбинации методов ФР и ОФР. базирующихся на одном и том же оборудовании. Это позволяет рационально и экономично разрабатывать месторождение блочного камня, в мак­симально возможной степени используя природную трещиноватость каждого участка и каждой залежи камня.

Сокращение объема буровых работ в несколько разв резуль­тате реализации рассматриваемых методов в технологии добычи блочного камня. Даже для крупного блока камня потребуется не более трех скважин. В ряде случаев эти же самые скважины могут повторно использоваться для разделки крупного блока на более мелкие.

Повышение качества продукции благодаря применению техно­логии добычи высокопрочного блочного камня на основе методов ФР и ОФР. Эти методы в принципе исключают образование в по­роде наведенной техногенной трещиноватости. Можно ожидать также, что поверхность каменных блоков окажется более ровной и гладкой.

Универсальность рассматриваемых нетрадиционных методов отделения блочного камня и его разделки на более мелкие блоки. Они могут быть использованы для любых горных пород и в первую очередь наиболее прочных.

Тема № 3 “Подготовка руд”