Введение к работе
Актуальность работы. Согласно долгосрочной государственной программе изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России на основе баланса потребления и воспроизводства минерального сырья, утвержденной приказом МПР России 8 июня 2005 г., существующее отечественное производство природного урана (ОАО «11111X0», ЗАО «Далур», ОАО «Хиагда») составляет около 20 % от потребностей. При этом его дефицит в размере 80 % покрывается складскими запасами, которые по прогнозам экспертов будут исчерпаны к 2020...2030 гг., а возможно, и раньше.
Одним из вариантов повышения добычи природного урана является применение высокоэффективного и экологически безопасного метода скважинного подземного выщелачивания (СПВ) из руд пластово-инфильтрационных («песчаниковых») месторождений. Этим способом в конце 20 века добывалось 13 % (1996 г.) урана в мире, а в начале 21 века -уже 27,2 % (2002 г.). Особенно интенсивно росла добыча урана способом СПВ в США, доля которого к 1994 г. составила 69 %. В России же объемы производства в 2007 г. не превышали и 11 %, хотя минерально-сырьевая база отрасли насчитывает более 20 месторождений подобного типа (Вит-лаусское, Дыбрын, Щегловское, Имское, Журавлиное и др.) и 132 рудо-проявления. При этом данным методом отрабатываются только два - Хиа-гдинское (ОАО «Хиагда») и Далматовское (ЗАО «Далур»), где выщелачивание осуществляют через одноствольные вертикальные скважины.
Несмотря на высокую эффективность СПВ, существенными остаются затраты на бурение скважин, доля которых составляет 30 -=- 40 % в себестоимости конечной продукции. Снижение этих затрат делает метод еще более привлекательным для бизнеса. Перспективным направлением является выщелачивание многоствольными скважинами. Из опыта применения последних в геологоразведочной, нефтяной и газовой промышленности известно, что рамена вертикальных одноствольных скважин многоствольными позволяет сократить объемы бурения (в зависимости от глубины) до 50 % от общего объема горно-подготовительных работ. Кроме этого, снижение затрат непосредственно на выщелачивание создает предпосылки для широкомасштабного его применения, в том числе для разработки более бедных руд.
Несмотря на имеющиеся системы многоствольных скважин, они практически не применяются при выщелачивании урана. В связи с этим отсутствуют и научно разработанные рекомендации по определению параметров СПВ многоствольными скважинами.
Таким образом, обоснование эффективной технологии СПВ пласто-во-инфильтрационных месторождений урана на основе многоствольных скважин является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение.
Целью работы является научно-техническое обоснование технологии
СПВ урана из пластово-инфильтрационных месторождений многоствольными скважинами, обеспечивающей равномерную проработку продуктивного пласта, сокращение затрат на добычу 1 кг металла и продолжительности процесса выщелачивания.
Идея работы: повышение эффективности рядной системы СПВ урана из пластово-инфильтрационных месторождений достигается применением многоствольных скважин рациональной конструкции с оптимальными параметрами, определяемыми на основе установленных закономерностей изменения технико-экономических показателей от горно-геологических и горнотехнических условий их эксплуатации.
Объект исследования - технология СПВ многоствольными скважинами «песчаниковых» урановых пластов.
Предмет исследования - рядные системы подземного выщелачивания многоствольными скважинами, их конструкции и параметры.
Задачи исследований:
провести анализ современного состояния теории и практики процесса СПВ одноствольными и многоствольными добычными скважинами;
обосновать технически возможные конструкции и системы СПВ многоствольными скважинами;
разработать методику расчета параметров рядной системы СПВ многоствольными скважинами;
оценить эффективность рядных систем СПВ многоствольными скважинами, определить оптимальные параметры и область их применения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: анализ и обобщение современного состояния процесса СПВ урана и опыта сооружения многоствольных скважин, аналитические исследования при обосновании конструктивных и технологических параметров рядных систем СПВ, математическое моделирование процесса движения выщелачивающих и продуктивных растворов при оценке потерь металла в залежи, технико-экономическое обоснование технических и технологических решений и экономико-математическое моделирование при определении оптимальных параметров рядных систем СПВ многоствольными скважинами.
Достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждается применением апробированных методов расчета конструкций многоствольных скважин и геотехнологических параметров добычи полезного ископаемого одноствольными вертикальными скважинами, непротиворечием полученных результатов данным других исследователей, патентозащищаемым решением, использованием апробированной программы математического моделирования движения рабочих растворов в продуктивном пласте и экономической эффективностью разработанной технологии.
Защищаемые научные положения:
Техническая реализация рядных систем СПВ на основе многоствольных скважин достигается применением двухствольных конструкций с бурением наклонных основных стволов закачных и откачных скважин, а равномерность проработки продуктивного пласта - смещением их относительно друг друга.
Эффективная область эксплуатации многоствольных скважин обеспечивается применением их рациональной конструкции с оптимальными параметрами рядной системы СПВ, определяемыми по разработанной методике с учетом затрат на вскрытие и выщелачивание продуктивного пласта.
Научная новизна исследований:
Разработана патентозащищенная рядная система СПВ наклонными многоствольными скважинами со смещением основных стволов закачных и откачных скважин относительно друг друга.
Выведена формула для расчета смещения основных стволов откачных и закачных скважин в зависимости от величины отхода дополнительного ствола от основного и шага вскрытия.
Математическим моделированием установлены потери металла в зависимости от направления бурения дополнительных стволов вдоль линии ряда и величины смещения х.
Усовершенствована методика расчета технико-экономических показателей для оценки СПВ многоствольными скважинами, которая учитывает влияние горно-геологических условий залегания продуктивного пласта, параметров рядной системы СПВ многоствольными скважинами и конструкции последних.
Впервые установлены закономерности изменения трудоемкости и себестоимости вскрытия продуктивного пласта, добычи 1 кг металла и продолжительности физико-химического процесса многоствольными скважинами для разработанных конструкций.
Для условий Хиагдинского месторождения по критерию цеховой себестоимости добычи определены оптимальные параметры (отход дополнительного ствола от основного, шаг вскрытия) и установлена область применения рядных систем СПВ многоствольными скважинами в зависимости от цены 1 кг металла, содержания полезного компонента и глубины залегания продуктивного пласта.
Практическая значимость
Разработанная технология подземного выщелачивания урана многоствольными скважинами, по сравнению с одноствольными, позволяет уменьшить себестоимость добычи металла, отрабатывать пластово-инфильтрационные месторождения с минимальными потерями, расширить минерально-сырьевую базу предприятий и тем самым увеличить объемы производства урана в стране.
Усовершенствованная методика технико-экономической оценки и
определения оптимальных параметров СПВ многоствольными скважинами урановых «песчаниковых» залежей может быть использована при проектировании и эксплуатации аналогичных месторождений.
Личный вклад автора состоит в обобщении и анализе отечественного и зарубежного состояния теории и практики процесса СПВ одноствольными и многоствольными скважинами и сооружения многоствольных скважин, разработке рядных систем СПВ на основе многоствольных скважин и методики технико-экономического обоснования их оптимальных параметров, обосновании области применения технологии СПВ урана многоствольными скважинами и проведении технико-экономической оценки ее эффективности.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований приняты к внедрению ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» при проектировании рядных систем СПВ многоствольными скважинами для отработки пластово-инфильтрационных месторождений; ОАО «Хиагда» для оценки новых месторождений; используются в учебном процессе ЧитГУ при подготовке горных инженеров по специальности 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» специализации «Геотехнологические способы разработки месторождений».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях в Горном институте ЧитГУ (Чита, 2004-2009), Кулагинских чтениях ЧитГУ (Чита, 2005-2007), X международной молодежной научной конференции «Молодежь Забайкалья: культура здоровья - здоровое общество» ЧГМА (Чита, 2006), международном симпозиуме МГГУ «Неделя горняка» (Москва, 2008), научных семинарах кафедры «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» ЧитГУ (Чита, 2005-2010), заседаниях научно-технических советов ОАО «Хиагда» (Чита, 2010), ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» (Чита, 2010) и ОАО «ППГХО» (Краснокаменск, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК России, и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения, изложенных на 138 стр. машинописного текста. Содержит 54 рис., 12 табл., список литературы из 103 наименований и 4 приложения.
По тексту диссертационной работы используются следующие понятия - выполаживание (выкручивание) ствола скважины - отклонение его в сторону горизонтальной (вертикальной) плоскости.
Автор выражает благодарность канд.техн.наук Р.Б. Закиеву за научное руководство на первых этапах работы и научному руководителю д-ру тех. наук В.М. Лизункину за постановку темы диссертации и методическую помощь на заключительном этапе исследования, а также д-ру техн. наук В.А. Овсейчуку за консультации по экономическим вопросам.
