Геотехнологические способы разработки пластовых месторождений

М Г Г У 

московский 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

Председатель 

Л. А. 
ПУЧКОВ 
президент 
МГГУ. 
чл. -корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
К1ГГУ 

Члены 
редсовета 

И В. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

А.П. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

А.В. 
КОРЧАК 
академик 
МАН 
Bill 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 
академик 
РАН 

В.И. 
ОСИПОВ 
академик 
РАН 

В.Л. 
ПЕТРОВ 
академик 
МАН 
BIH 

Э..М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.А. 
ЧАНТУРИЯ 
акаде.мик 
РАН 

Е.И 
ШЕМЯКИН 
академик 
РА Н 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

И. И. 
ШАРОВАР 

ГЕО 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
С П О С О Б Ы 
РАЗРАБОТКИ 
П Л А С Т О В Ы Х 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ 

Издание 2-е, 
стереотипное 

Рекоменоовано 
Министерством 
образования 
Российской 
Федерации в качестве 
учебного 
пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению 
«Горное дело» спег/иальности «Подземная 
разработка месторождений полезных 
ископаемых» 

МОСКВА 

ИЗ ДА ТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННО! 
О ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 7 

УДК 622.234 
ББК 33.24 
Ш 2 5 

Книга соответствует 
«Гигиеническим 
требованиям к изданиям 
книжным для взрослых. СанПиН 1.2.1253—03», 
утвержденным 
Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 
2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое 
заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей № 
77.99.60.953.Д.008501.07.07 

И.И. Шаровар 

Ш 25 
Геотехнологические способы разработки пластовых месторождений. — 2-е изд., стер. — М.: Издательство Московского государственного горного университета. 2007. —244 с. 

ISBN 5-7418-0097-Х 

Описаны физико-химические свойства горных пород. Изложены физико-химические основы геотехнологических процессов. Рассмотрены производственные процессы при использовании геотехнологических способов для 
отработки пластовых месторождений. Уделено внимание схемам вскрытия и 
системам разработки. Приведены технологические схемы скважинной добычи твердых полезных ископаемых. Пособие включает в себя лабораторный 
практикум по курсу и 
методические указания по выполнению курсового 
проекта. 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Горное дело» специальности «Подземная разработка месторождений 
полезных ископаемых». 

УДК 622.234 
ББК 33.24 

ISBN 5-7418-0097-Х 
© И.И. Шаровар, 2006, 2007 
© Издательство МГГУ, 2006,2007 
© Дизайн 
книги. 
Издательство 
МГГУ, 2006, 2007 

Соаержанпе 

ВВЕДЕНИЕ 
8 

Часть I 

ОСНОВЫ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ РАЗРАБОТКИ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 
15 

1.1 Физико-химические свойства массива горных пород 
16 

1.1.1. Гидравлические свойства массива горных пород 
16 

1.1.2. Тепловые свойства горных пород 
19 

1.1.3. Электромагнитные и радиационные свойства массива 
горных пор од 
21 

1.1.4. Некоторые механические и акустические свойства массива горных пород 
22 

1.2. Физико-химические основы геотехнологических процессов 
24 

1.2.1. Основы процессов растворения и выщелачивания 
полезных ископаемых 
25 

1.2.2. Термические и термохимические методы воздействия на 
массив горных пород 
30 

1.2.3. Принцип диспергирования горных пород 
34 

1.2.4. Воздействие электромагнитных полей на массив горных 
пород 
34 

1.2.5. Гидравлические процессы при геотехнологических способах разработки 
35 

1.3. Производственные процессы при геотсхнологии 
39 

1.3.1. Сооружение добычных скважин 
39 

1.3.2. Производство рабочих агентов при геотсхнологии 
51 

1.3.3. Поверхностное обслуживание скважин 
56 

1.3.4. Процесс добычи полезного ископаемого геотехнологическими способами 
57 

1.3.5. Процесс управления массивом х орных пород при геотехнологии 
62 

1.3.6. Процесс транспортировки полезного ископаемого от 
места добычи до места переработки 
71 

1.3.7. Комплексная автоматизация производственных процессов геотехнологии 
72 

1.4. Вскрытие и системы разработки месторождений геотехнологическими способами 
73 

1 4.1. Геотехнологические способы вскрытия месторождений.... 
73 

5 

1.4.2. Геотехнологические системы разработки месторождений 
85 

1.4.3. Основы выбора геотехнологических систем разработки.. 
95 

1.4.4. Оценка эксплуатационных потерь полезною ископаемого при геотехнологии 
96 

1.5. Технологические схемы скважишюй добычи 
твёрдых полезных ископаемых 
100 

1.5.1. Подземное растворение полезных ископаемых 
100 

1.5.2. Подземная выплавка полезных ископаемых 
116 

1.5.3. Подземная газификация горючих полезных ископаемых. 
122 

1.5.4. Подземное сжигание полезных ископаемых 
131 

1.5.5. Подземное выщелачивание полезных ископаемых 
137 

1.5.6. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых. 
150 

1.5.7. Добыча и использование тепла Земли 
165 

Часть II 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ 
175 

2.1. Общие указания по выполнению лабораторных работ 
176 

2.2. Методические указания по проведению лабораторных 
работ 
177 

2.2.1. Лабораторная работа №1. Подготовка исходных данных 
для проектирования геотехнолопгческой разработки месторождений полезных ископаемых 
177 

2.2.2. Лабораторная работа №2. Методика расчета производительности гидравлического разрушения 
181 

2.2.3. Лабораторная работа №3. Проектирование подземной 
газификации углей 
187 

2.2.4. Лабораторная работа №4. Выбор оптимальных технологических параметров скважннной гидродобычи полезных 
ископаемых 
192 

2.2.5. Лабораторная работа №5. Расчет параметров технологии подземного выщелачивания 
200 

2.2.6. Лабораторная работа №6. Расчет технико-экономических показателей геотехнологии 
206 

Часть III 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ 
КУРСОВОГО ПРОЕКТА 
213 

3.1. Цель и задачи курсового проектирования 
214 

3.2. Организация выполнения курсового проекта 
214 

3.3. Оформление курсового проекта 
215 

3.4. Инструкция по выполнению курсового проекта 
218 

3.4..1. Геологическое описание участка месторождения 
218 

3.4.1.1. Литолого-стратиграфическое описание участка 
218 

3.4.1.2. Расчет промышленных запасов участка 
219 

3.4.2. Обоснование технологической схемы промысла 
220 

6 

3.4.2.1. Выбор способа отработки запасов участка 
220 

3.4.2.2. Подготовка и вскрытие запасов участка 
220 

3.4.2.3. Конструкция буровых скважин и буровое оборудование 
222 

3.4.2.4. Технология добычи 
223 

3.4.2.5. Система разработки 
224 

3.4.2.6. Расчет производственных процессов 
228 

3.4.2.7. Расчет экономической эффективности способа 
228 

ПРИЛОЖЕНИЯ 
229 

Приложение 1. Программа курса «Геотехнологические 
способы разработки пластовых месторождений» 
230 

Приложение 2. Форма титульного листа курсового проекта 
235 

Приложение 3. Образец индивидуального задания на 
выполнение курсового проекта по диагиплине 
236 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
237 

7 

ВВЕДЕНИЕ 

Горная наука — система научных знаний о природных условиях, геологической среде, технологии, технике и 

экономике извлечения из недр полезных ископаемых и их 

первичной переработке [ l ] . 

Она подразделяется на геологические, физико-технические, экономические и горные дисциплины. Горные 
дисциплины связаны с технологии разведки, разработки и 
первичной переработки полезных ископаемых. Технология 
разработки полезных ископаемых включает три направления: открытая, подземная и скважинная технологии добычи. Скважинная технология добычи представляет 
собой 
технологию добычи воды, нефти, газа и твёрдых полезных 
ископаемых. Учение о добыче твёрдых полезных ископаемых через скважины получило название геотехнология [2]. 

Геотехнология 
- это наука о физических, химических, биохимических и микробиологических методах воздействия на продуктивную залежь для перевода полезных 
ископаемых в подвижное состояние и последующее извлечение его через скважины, буримые с поверхности до месторождения. 

Впервые курс «Геотехнологические способы разработки 
месторождений 
полезных 
ископаемых» 
введён 
в 
учебные планы подготовки студентов специальности 09.02 
в 1987 году. В действующих учебных планах предусматривается изучение этой дисциплины в 9 семестре в течение 17 
недель. При этом предусматривается следующая учебная 

8 

нагрузка: лекции —- 51 час, лабораторные работы — 
17, 
практические з а н я т и я — 17, курсовой проект. 

Настоящее учебное пособие является одним из первых и призвано дать студентам комплекс знаний по геотехнологии. 

Цель дисциплины — получение знаний по производственным процессам, технологическим схемам и методам разработки месторождений полезных ископаемых геотехнологическими методами. Она призвана дополнить объём полученных знаний по различным технологиям разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых (открытой, подземной, комбинированной) наиболее индустриальным и перспективным методом — геотехнологией. 

В результате изучения дисциплины студент должен 
приобрести следующие знания и навыки: 

• 
изучить свойства горных пород как 
объектов 
воздействия геотехнологическими методами; 
• 
изучить 
физико-химические 
процессы, 
протекающие при геотехнологической отработке месторождений; 

• 
изучить основные и вспомогательные производственные процессы, характерные для геотехнологии; 
• 
изучить технологические схемы геотехнологических методов; 
• 
получить навыки проектирования 
производственных процессов и технологических схем геотехнологии. 
Горная наука в своём развитии опирается на достижения математики, физики, химии, геологии, 
биологии, 
техники и общей экономики. 

Данный курс опирается на знания следующих дисциплин: геология, основы технологии горных работ, управление состоянием массива горных пород, подземная разра
9 

ботка пластовых месторождений, физика горных пород и 
процессов и другие. 

Классификация 
геотехнологических 
способов 
по 
процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ 
перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, 
приведена в табл. 1. 

Особенностями геотехнологических способов разработки полезных ископаемых являются: 

• 
разработка месторождения ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и 
добычи полезного ископаемого; 

Таблица I 

Классификация геотехнологических способов разработки 
месторождений полезных ископаемых [2] 

Вил подвижного 
состояния 
полезного 
ископаемого 

Способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние. 
Вил подвижного 
состояния 
полезного 
ископаемого 
Физические 
Химические 
Комбинированные 
(комплекс физических, химических и 
биологических воздействий). 

1 
2 
3 
4 

Газообразное 
Воздействие 
температуры, 

давления 
(сублимация, 
перегонка). 

Окисление, разложение (частичное 
или полное сжигание, обжиг). 

Химические реакции с участием физических полей, микробиологического воздействия. 

Жидкотскучес 
(расплав, раствор). 

Воздействие 
температуры, 

давления 
(плавление, перегонка, нагрев) 

В ыще лачива ние 
и растворение с 
образованием 
молекулярных 
растворов. 

Растворение, 
выщелачивание 
и гидрогенизация с участием 
физических полей, микробиологического воздействия. 

10 

Продолжение таблицы 1 

1 
2 
3 
4 

Гидромеханическая смесь. 

Гидро-, пневморазрушение, воздействие физическими полями. 

Растворение связующего вещества. 

Диспергирование 
поверхностно акГидромеханическая смесь. 

Гидро-, пневморазрушение, воздействие физическими полями. 

Растворение связующего вещества. 
тивными вешалками, химическими 
реагентами с участием физических полей, микробиологического 
воздействия. 

• 
месторождение является и объектом, и местом 
добычи и переработки полезного ископаемого, т.к. 
технология предусматривает избирательное извлечение полезного компонента; 

• 
геотехнологическое предприятие — 
промысел 
(станция) — включает три основных элемента: блок 
подготовки рабочих агентов, добычное поле, блок 
переработки продуктивных флюидов; 
• 
инструментом добычи служат рабочие агенты — 
энергия или её носители, вводимые в добычное поле; 
• 
под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет своё агрегатное состояние или 
превращается в другое вещество, образуя продуктивные флюиды, которые обладают лёгкой подвижностью и начинают перемещаться; 
• 
разработка месторождения имеет зональный характер и перемещается во времени 
относительно 
скважин и контуров месторождения; 
• 
управление добычей осуществляется с поверхности путём изменения характеристики и параметров 
подачи рабочих агентов. 

11 

Геотехнологические способы для добычи ряда полезных ископаемых уже широко используются. К ним относятся: соль, сера, уран, медь и др. По другим полезным 
ископаемым ведутся полупромышленные, опытные и лабораторные исследования. 

В таблице 2. приведены основные сведения о современном состоянии использования геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. 
Основными проблемами геотехнологии являются: 
• 
установление связи физико-геологической обстановки залежи, полезного ископаемого и вмещающих 
пород с рабочими агентами и средствами добычи на 
уровне молекул, ионов, атомов; 

Таблица 2 

Современное состояние использования геотехнологических 

способов [2] 

Способ 
Объекты промышленного 
освоения. 

Объекты полупромышленных и опытных исследований, разработки, предложения и патенты. 

1 
2 
3 

Подземное растворение. 

Месторождения каменной, калийных солей. 

Месторождения бишофита, соды, глауберовой соли. 

Подземное выщелачивание. 

Зоны окисления сульфидных месторождений меди и никеля. Уран инфильтрационных и осадочно-инфильтрационных месторождений, а 
также забалансовые 
участки эндогенных 
месторождений. 

Месторождения марганца, сульфидные 
месторождения меди, 
свинца, цинка и никеля, золота, титана и известняка. Осадочные 
бурожелезняковые месторождения. 

12 

Продолжение таблицы 2 

1 
2 
3 

Подземная выплавка. 
Месторождения самородной серы. 

Подземная газификация. 

Месторождения каменного и бурого угля. 

Осушенные месторождения серы. Известняк, месторождения горючих сланцев, 

руд содержащих 
мышьяк и ртуть. Сера 
в непроницаемых рудах, битум и тяжелая 
нефть. Озокерит, сера 
вулканогенных месторождений, асфальтит, 
металлы. 

Скважинная гидродобыча. 

Месторождения фосфоритов, строительных 
песков. 

Осадочные месторождения металлов, 
строительные пески и 
гравий. Титан, золото 
и алмазы, касситерит в 
погребённых россыпях, 
желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, железо и т.д. 

Добыча полезных ископаемых из подземных вод. 

Месторождения йодобромистых вод, содержащих бор, уран, 
стронций. 

Сточные воды шахт, 
рудников и нефтепромыслов. 

Извлечение и использование тепла Земли. 

Природные парогидротсрмы. 

Тепло «сухих» горных 
пород. 

• 
совершенствование управления геотехнологическими процессами с целью повышения их производительности и селективности; 

13