Гидродобыча использует феномен перевода твердого полезного ископаемого в подвижное состояние гидродинамическим воздействием гидромонитора, с выдачей продукта на поверхность через скважины в виде смеси.
Использование энергии воды для горных работ было известно около 2 тыс. лет назад. В 1 в. до н. э. вода использовалась для разработки золотоносных и оловоносных россыпей. На золотых приисках Урала и Сибири широко применялись гидравлические горные работы, улавливание золота в потоке воды и укладка хвостов переработки в отвалы. Разработка золотосодержащих песков струей воды под давлением проводилась за счет воды, зарегулированной в верховьях долин и подаваемой в забои по деревянным и металлическим трубам.
Первые опыты по подземной гидравлической отбойке угля проведены на шахте «София» в Макеевке в 1915 г. Развитие технологии ускорилось после разработки озокерита в 1928 г. на о. Челекен в Каспийском море с применением землесоса. В 1935—1936 гг. на строительстве канала им. Москвы работало 95 гидромеханизированных установок, которые разработали свыше 10,5 млн м3 грунта. В этот период были созданы грунтовые насосы, земснаряды, разработаны технология гидравлической выемки и обогащения песка и гравия, методы возведения намывных плотин.
Технология получила широкое развитие на угольных разрезах Урала, Кузнецкого и Канско-Ачинского угольных бассейнов. С ее применением выполнены значительные объемы работ на восстановлении Беломорско-Балтийского канала, строительстве Цимлянской ГЭС, Горьковской и Куйбышевской ГЭС, Мингечаурской плотины и других объектов.
В разработке теории и практики технологии приняли участие Н.Д. Холин, Н.В. Мельников, Г.А. Нурок, Г.А. Абрамович, Г.Н. Роер, Г.М. Никонов, Н.П. Гавырин, В.А. Флоров, С.М. Шорохов, Г.М. Лезгинцев, Б.Э. Фридман, С.Б. Фогельсон, Н.А. Лопатин, Б.М. Шкундин, В.С. Мучник и др.
Основные технологические процессы технологии включают: разрушение массивов горных пород гидромониторами, землесосными или безнапорными потоками воды, напорный или безнапорный гидравлический транспорт, отвалообразование, намыв земляных сооружений, обогащение полезных ископаемых.
Гидродобыча осуществляется гидромониторами с самотечным, напорным или самотечно-напорным транспортированием гидросмеси и землесосных снарядов. Добыча производится с последующим мокрым обогащением при посредстве гидроклассификаторов, моечных желобов, обогатительных шлюзов, магнитных сепараторов, гидроциклонов, сит и т.п. Применение технологии ограничено климатическими условиями и свойствами горных пород. Крепкие, трудноразмываемые породы снижают производительность гидроустановок.
Рабочим органом технологии является гидромонитор (рис. 6.3).
Совершенствование гидродобычи осуществляется путем создания мощного износоустойчивого оборудования для гидротранспорта породы с производительностью 10—15 тыс. м3/ч, конструирования машин для механической выемки, дробления и транспортирования пород.
Гидродобыча широко применяется в горном деле: вскрышные работы, добыча полезных ископаемых на карьерах, со дна морей и океанов, в шахтах, гидротранспорт горных пород на большие расстояния.
При работе в затопленной среде применяют шланговые реактивные и телескопические выдвижные мониторы, удлиняющиеся до 12 м. При разработке плывунов применяют короткоствольные мониторы. Подъем горной массы осуществляется эрлифтами.
Технология эффективна при разработке рыхлых горных пород: фосфоритов, железистых, марганцевых или апатитовых руд, битуминозных песков и песчаников, углей, кварцевых песков, песчано-глинистых отложений.
Рудник состоит из полигона со скважинами и трубопроводами для подачи сжатого воздуха, воды и гидротранспорта ископаемого, осветительного бассейна, насосной и компрессорной станций, подсобных служб. Вода, служащая для разрушения, смыва и подъема горной массы, воздействует на массив в виде струи, импульсного или самотечного потока. Различают струи низкого (до 1 МПа) и среднего (до 4 МПа) давлений. Свободные или затопленные струи характеризуют длина основного начального участка истечения из насадки, осевая скорость и скорость потока по сечению струи, а также сила и давление удара.
Разработка ведется перемещением монитора снизу вверх. Вращением ствола, ориентированным перпендикулярно к оси мониторной струи при частоте порядка 1—2 об/мин, обеспечивается сканирование струей поверхности забоя и разрушение угля в пределах мощности пласта и полосы по простиранию. Массив имеет трещины и нарушения структуры. При попадании в них воды кинетическая энергия преобразуется в энергию давления внутри трещины. Массив подвергается давлению, превышающему сопротивление излому. Происходит скалывание полезного ископаемого кусками, которые, падая вниз в потоке воды с большой скоростью, раскалываются и истираются. Поэтому основная масса пород имеет размеры, допускающие транспортирование водой.
Для отработки песчано-глинистых руд мощностью 0,3 — 0,5 м на глубине 50—200 м применяют секционное добычное оборудование, представляющее собой совмещенный гидроэлеватор с гидромонитором. Угол поворота ствола гидромонитора с насадками в горизонтальной плоскости — секторный (120°*3 = 360°). Расход воды составляет 70—80 м Уч. Вода на гидроэлеватор подается под давлением 4,8 МПа с расходом 200 м3/ч. Удельный расход напорной воды составляет 5—6 м /т.
Технология обеспечивает на порядок более высокую производительность, безопасность работ при исключении необходимости подземных работ, меньшую по сравнению с шахтным способом себестоимость продукта, но отличается сложностью контроля полноты процесса и использования недр.
При комбинировании способа с технологией кучного выщелачивания непригодные для традиционной технологии мелкие минеральные фракции могут быть сырьем для переработки.
По окончании отработки блоков (извлечение 85—90 % запасов) осуществляется рекультивация выработанного пространства путем его промывки законтурными водами с использованием рассолов в технологическом процессе и рекультивация поверхности в пределах горного отвода.
Контроль параметров технологий разработки месторождений осуществляют из контрольно-наблюдательных скважин, пройденных через толщу пород до почвы рудного тела, путем наблюдений: за поведением кровли — щупами; за перемещением горных пород — глубинными реперами; за формой и размерами камер — датчиками и панорамным фотографированием (рис. 6.4).
Технологии гидродобычи полезных ископаемых пригодны для разработки практически любых месторождений, а возможность и целесообразность их применения зависит от экономической целесообразности. Для СГД перспективны легкоразмываемые, пористые, рыхлые и слабосвязанные залежи полезных ископаемых, например плывуны, содержащие полезное ископаемое.
Метод межскважинного акустического прозвучивания. В основе метода лежит возможность выделения различий звукопоглощения. Упругие колебания звуковой частоты возбуждаются в скважине магнитострикционным излучателем. Колебания достигают приемной скважины, где с помощью звукоприемника Преобразуются в электрические, усиливаются и через коллектор поступают на поверхность. Уровень сигнала измеряется анализатором спектра. Прозвучивание осуществляется по веерной схеме синхронного перемещения по скважине излучающего и приемного снарядов с выявлением зон повышенного звукопоглощения. Локализация контуров камеры в межскважинном пространстве осуществляется при помощи теневого способа. Из различных точек стоянки излучателя определяется место положения камеры, создающей акустическую тень.
Способ изолиний заключается в выборе минимальных значений, вычисляемых для лучей, пересекающихся в одной точке между скважинами, и присвоении их этой точке. Точки с одинаковыми значениями соединяются изолиниями. С поверхности бурят две скважины, чтобы их плоскость пересекала камеру. В одну из скважин опускают источник колебаний, а в другую — приемник. По измерениям затухания амплитуды упругих колебаний между источником и приемником судят о форме и размерах камеры. Способ позволяет оконтурить лишь одно сечение камеры, проходящее через указанные скважины. Для оконтуривания всей камеры необходимо бурить ряд скважин, что удорожает работы.
Способ определения контуров очистных камер основан на возбуждении и регистрации упругих колебаний. В камеру погружают излучатель колебаний, вращают вибратор вокруг вертикальной оси, принимают отраженные от стенок камеры сигналы, преобразуют последние в электрические импульсы, передают их на поверхность и регистрируют в виде круговой развертки на экране светолучевого осциллографа. По осциллограммам определяют расстояние от оси вибратора до точек отражения упругих волн. Для каждого поперечного сечения камеры восстанавливается контур. Совокупность контуров дает представление о форме и размерах камеры, но не позволяет комплексно контролировать параметры камер. Отсутствие таких данных снижает безопасность работ, поскольку при больших площадях подработки возможно оседание дневной поверхности. Другим недостатком способа является то, что для съемки камер требуется остановка процесса гидродобычи и извлечения гидромонитора из камеры.
При непрерывном исследовании параметров камер упругие колебания стенок камеры возбуждают струей гидромонитора, поворачивая его вокруг вертикальной оси до возвращения в исходное положение, регистрируют упругие колебания на дневной поверхности и по зарегистрированным упругим колебаниям восстанавливают контуры очистной камеры. Гидромонитор ориентируют в начальном направлении. В этом же направлении ориентируют на дневной поверхности сейсмический профиль. Включают гидромонитор и возбуждают точку боковой поверхности камеры. Излучаемые колебания регистрируют на дневной поверхности и записывают на осциллограф. Затем гидромонитор поворачивают вокруг своей оси на некоторый угол от начального положения, одновременно поворачивают на этот же угол сейсмический профиль на дневной поверхности и вновь возбуждают колебания. Процедура восстановления контура поперечного сечения камеры состоит в определении пространственных координат возбуждаемых точек. Определяя координаты точек контура, восстанавливают весь контур.
Приоритетными направлениями развития технологий добычи данного типа являются:
• интенсификация процессов растворения;
• утилизация и захоронение промышленных отходов;
• развитие методов селективного и конгруэнтного выщелачивания;
• геотехнологическая добыча солей;
• создание единичных рассольных камер без сброса слабых рассолов;
• технология строительства подземных камер-хранилищ газа и нефтепродуктов;
• совершенствование методов гидроразрыва;
• скважинная гидродобыча россыпных месторождений;
• развитие способов контроля размеров камер.
Для повышения качества добычи используется метод контроля процесса в ходе отбойки полезного ископаемого (рис.6.5).
