Большетроицкий рудник
Большетроицкое месторождение богатых железных руд расположено в юго-западной части Белгородского рудного района и приурочено к крутому изгибу Корочанско-Большетроицкой или Корочанско-Мухинской магнитной аномалии («железорудной полосы»). В последнее время ее относят к более протяженной Прохоровско-Большетроицкой рудной зоне. В структурном отношении месторождение рассматривается как одноименная синклиналь в составе Корочанско-Большетроицкой грабен-синклинали, а последняя является частью Белгородского грабен-синклинория. В ядре Большетроицкой синклинали фиксируются рудоносные породы курской серии нижнего протерозоя; крылья сложены метаморфическими и магматическими образованиями архея. Богатые железные руды сформировались в довизейской коре выветривания, развитой на железистых кварцитах курской серии. Геологические особенности данного месторождения охарактеризованы в ряде опубликованных работ. Эти характеристики базируются на материалах, полученных начиная с 1947–1948 гг ., когда была открыта Корочанско-Большетроицкая маг-ниитная аномалия, и заканчивая поисково-оценочными работами 1960–1965 гг . на богатые железные руды, бокситы, золото и уран. В 1988 г ., после начала опытно-методических работ по скважинной гидро-добыче (СГД) богатых железных руд на Шемраевском участке Большетроицкого месторождения, он стал рассматриваться как самостоятельное месторождение. В составе Большетроицкого месторождения остались Западный (главный) и Восточный участки. На Западном участке в 2006–2010 гг . ведется разведка богатых руд. С 2008 г . здесь производятся экспери-ментальные эксплуатационные работы методом СГД, который позволяет извлекать слабосцементированные богатые руды из-под мощного (~500 м) осадочного чехла.
Полученная в процессе разведочных работ геологическая информация требует пересмотра устоявшихся представлений о геологическом строении месторождения. На изучаемом участке прослеживаются раннепротерозойские метаморфические образования курской серии, которая делится на нижнюю (стойленскую, PR1st) и верхнюю (коробковскую, PR1kr) свиты. Стойленская свита, сложенная метапесчаниками и сланцами, как принято считать, обрамляет Корочанско-Большетроицкую железорудную полосу (Прохоровско-Большетроицкую рудную зону) на северо-западе и юго-востоке.
Разработка Большетроицкого месторождения железных руд методом скважиной гидродобычи ведется там уже около 5-ти лет (начиная с 2006-го года).
На полигоне на данный момент находиться 8 буровых установок, семь из которых – установки УПА-60 на базе КРАЗ-255, и одна – стационарная БУ-75 – которая была изучена нами более подробно, чем остальные. Конечная глубина бурения на данный момент составляет 700м.
На территории рудника из 8 скважин работают только 2, остальные 6 законсервированы.
Рис.3. Буровая установка УПА-60 на территории Большетроицкого рудника.
Диаметр бурения составляет 426мм, диаметр бурового инструмента 145мм. Для того чтобы создать необходимое давление на забой, применяют утяжелённые буровые трубы УБТ диаметром 229мм, которые увеличивают осевую нагрузку на 25-50%, в результате чего вес бурового инструмента доходит почти до 100т. Бурение ведётся с промывкой – воздушно-водяная смесь, которая подаётся при помощи компрессора через шланг на сальник-вертлюг а далее по бурильной трубе на забой скважины. Рабочее давление Р компрессора около 8 атм (0.8Мпа).
В результате чего образуется пульпа, которая поднимается по стволу скважины и достигая его устья – уводиться в специальную ёмкость, где происходит отделение воздуха от воды, в результате чего вода через систему трубопроводов уходит в отстойник. В этих отстойниках происходит осаждение рудной массы, в результате чего потом воду откачивают, а руду выгребают экскаваторами и отвозят на склад, а оттуда она уже идёт на отгрузку на Ж/Д станцию в Шебекино и далее заказчику.
Так же там имеются насосные станции, которые воду из отстойников качают обратно в ёмкости для последующего использования, т.е. работает замкнутый цикл. Рабочее давление в насосах около 60-70атм (0.6-08МПа), но иногда достигает 100атм (1 МПа). Для таких случаев предусмотрены специальные предохранители, которые при критических давлениях (свыше 1 МПа) отключают насосы.
На территории полигона так же есть склад ГСМ, который расположен на безопасном расстоянии от места основных работ в целях безопасности. И так же есть быт-хоз. комбинат.
Следует отметить, что технология скважинной гидродобычи (СГД) является экологически чистой по отношению к другим методам добычи железных руд. Подъём руды происходит без применения различных химических веществ. Единственным отходом производства является только буровой шлам, который получается при бурении гидродобычных скважин. Например рядом с полигоном расположены посевы сахарной свёклы.
На территории Большетроицкого рудника используется метод скважинной гидродобычи. Как известно, легко доступного минерального сырья становится все меньше. Вместо карьеров появляются рудники. Рост травматизма, аварийности и себестоимости, по мере увеличения глубины разработки, тормозят темпы добычи и должны при достижении критических глубин вообще сделать невозможной добычу твердого минерального сырья традиционными технологиями. Широко известная скважинная гидродобыча (СГД), основана на искусственном разрушении твердого полезного ископаемого, не находит должного применения потому, что сегодня применяется, по мнению автора, не правильно. Направление воздействия на разрушаемый массив, по мнению автора, должно быть изменено на противоположное, т.е. не из скважины в массив, а, наоборот, из горного массива в скважину. Предлагаемое воздействие широко известно, является естественным природным и называется - горное давление. Известны два режима саморазрушения стенок горной выработки: квазистационарный (шелушение, высыпание и т.п.) и режим с обострением (горные удары и внезапные выбросы геоматериала и газа).
Идея (новизна) предлагаемой технологии заключается в том, что бурить скважины нужно как можно глубже, чтобы достичь глубины устойчивого саморазрушения добываемого твердого полезного ископаемого в режиме с обострением, т.е. в режиме неуправляемого "выброса" в скважину. Для добычи в режиме управляемого выброса потребуются дополнительные исследования в натурных условиях, о которых будет сказано ниже.
В конце 80-х годов прошлого века, для добычи угля и метана автором была предложена технология "Вулкан", которая практически без изменения может быть применена для добычи любых твердых полезных ископаемых, в т.ч. и нетрадиционных углеводородных кристаллогидратов. Применительно к углю предлагалось транспортировку полезного ископаемого на дневную поверхность осуществлялась метановым эрлифтом по скважине, пробуренной с поверхности и заполненной водоугольной суспензией, которая потом на поверхности перекачивалась по трубопроводу и сжигалась в котлоагрегатах тепловой электростанции, при этом метан мог утилизироваться отдельно самостоятельно. Вместо угольного пласта этой технологией можно разрабатывать любое твердое минеральное сырье в местах его залегания в виде рудного тела, дайки, пласта и т.п. Единственное условие - это добыча из неразгруженного от горного давления горного массива на больших глубинах.
Для этого на земной поверхности оборудуется площадка из армированного бетона повышенной прочности, способная противостоять выбросу геоматериала и газа в скважину. Производится монтаж бурового оборудования и начинается бурение скважины. При подходе к рудному телу бурение останавливают, буровой инструмент извлекают и осуществляют тампонирование трещин вокруг скважины. Это необходимо для того, чтобы вскрыть рудное тело под давлением, которое не даст образоваться неуправляемым техногенным трещинам в рудном теле. В противном случае, образовавшаяся зона разупрочнения будет в будущем препятствовать прорастанию новых трещин саморазрушения до фундаментальной длины и, как следствие, предотвратит генерацию газа необходимого для эрлифта. Для вскрытия рудного тела под давлением, поверхностный комплекс, включая буровое оборудование, изолируется от атмосферы Земли герметическим куполом. Купол совместно с площадкой должен быть способен противостоять энергии выброса геоматериала и газа в скважину при ее эксплуатации. Купол заранее оборудуется патрубком (вводом) для сжатого газа, патрубком (выводом) для пульпы (смеси жидкости и минерального сырья) и шлюзовыми камерами для перемещения людей и оборудования.
На месторождении используется метод эрлифта. Эрлифт - это устройство, предназначенное для подъема жидкости с некоторой глубины на определенную высоту при помощи сжатого воздуха. Принцип работы эрлифта состоит в следующем. Если в нижнюю часть трубы, опущенной в воду, вводить воздух под достаточным давлением, то образовавшаяся в трубе воздушная эмульсия (смесь воды и пузырьков воздуха) будет подниматься благодаря разности удельных масс эмульсии в трубе и воды в скважине. Естественно, что эмульсия тем легче, чем в ней больше пузырьков воздуха.
Область применения эрлифтов
Эрлифты различной производительности применяются: 1) для подачи активного циркуляционного ила и подъема сточной жидкости на небольшую высоту на канализационных очистных сооружениях; 2) для подачи химических реагентов на водопроводных очистных сооружениях; 3) для подачи воды из скважин; 4) наиболее важной отраслью применения эрлифтов является нефтедобывающая.
Опыт показал, что наряду с некоторыми недостатками (сравнительно малый кпд, невозможность подъема жидкости с малой глубины), эрлифты обладают рядом достоинств, которые наиболее заметны при эксплуатации на очистных сооружениях :
• простота устройства;
• отсутствие движущихся частей;
• допустимо содержание взвеси в неограниченном количестве в транспортируемой жидкости;
• источником энергии служит сжатый воздух, поступающий от воздуходувок.
Многообразие схемных и конструктивных решений эрлифтов позволяет использовать их в разных отраслях производства.
Общими гидравлическими элементами аппарата, которые реализуют процесс подъема жидкости сжатым газом, есть:
всасывающее устройство 1, предназначенное для обеспечения равномерной и дозированной подачи материала в трубу, которая подводит смесь 2; смеситель 3, предназначенный для смешивания жидкости и сжатого воздуха; поднимающая труба 4, предназначенная для перемещения двухфазной (трехфазной) гидросмеси (воды, воздуха, твердого материала) от смесителя 3 к воздухоотделителю 5; воздухоотделитель 5, предназначенный для деления гидросмеси на отдельные фазы (воздух, пульпа), при этом пульпа направляется в сливной трубопровод 6, а воздух - в атмосферу; воздухоподающий трубопровод 7, предназначенный для подачи сжатого воздуха от компрессора 8 к смесителю 3.
Процесс движения газожидкостной смеси в поднимающей трубе эрлифта имеет сложный характер, для описания которого используют параметры: средняя скорость потока, его плотность, соотношение объемов заполненных жидкостью и газом, скорость фаз и другие. Существенную роль играет также режим течения или структура газожидкостного потока.
Рис.4. Гидравлическая схема эрлифта
Для нормальной работы эрлифта необходимо некоторое геометрическое погружение h смесителя (расстояние от уровня воды в зумпфе к месту входа сжатого воздуха в смеситель), величина которого зависит от высоты подъема H (расстояние от уровня воды в зумпфе к месту слива пульпы из воздухоотделителя) гидросмеси и колеблется от нескольких метров к десяткам и сотням метров.