Повышение эффективности скважинной гидродобычи за счет оптимизации процессов пульпоприготовления и всасывания Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© Н.Г. Малухин, В.П. Дробадснко,

А.Л. Вильмис, A.A. Щсмсров, 2013

УДК 622.234.5

Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, А.Ё. Вильмис, А.А. Щемеров

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПУДЬПОПРИГОТОВДЕНИЯ И ВСАСЫВАНИЯ

Проведен анализ вопросов скважинной гидротехнологии песков, находящихся в неустойчивом состоянии, предложен вариант расположения насадки гидромонитора, выявлены расходно-напорные характеристики эрлифта. Ключевые слова: скважинная гидротехнология, гидромониторная струя, гидроэлеватор.

Вопросы освоения погребенных, обводненных осадочных, в том числе россыпных месторождений приобретают особую значимость в условиях истощения минерально-сырьевой базы России. Перспективным направлением повышения экономической эффективности освоения таких сложноструктурных россыпей является скважинная гидротехнология (СГТ) - способ добычи через специально оборудованные эксплуатационные скважины с использованием потенциальных газожидкостных энергоносителей.

В настоящее время большинство научно-технических публикаций относится к разработке технологии сква-жинной гидродобычи полезных ископаемых, находящихся в устойчивом состоянии. Основное внимание уделялось разрушению песков (породы) струями и созданию специальной техники для приближения насадки гидромонитора к забою и откачки гидросмеси на поверхность. Вопросы скважинной гидротехнологии песков, находящихся в неустойчивом состоянии, в литературе практически неос-вещены.

Скважинная гидротехнология для освоения обводненных россыпных месторождений имеет свои особенности. Все варианты СГТ разделяются на три основные технологические схемы:

— с разрушением пласта полезного ископаемого свободными незатоп-ленными струями в осушенном очистном пространстве;

— с разрушением полезного ископаемого в затопленной камере;

— с использованием плывунных свойств пород за счет наличия гидравлического градиента (создаваемого или естественного) в соседних скважинах.

Для каждой схемы характерны специфичное оборудование и технология, а также определенная область применения в зависимости от горногеологических факторов [2,3,4].

Общепринятая методика проектирования скважинных гидротехнологий выделяет только следующие методы расчета: свободной незатопленной струи, затопленной гидромониторной струи, доставки руды в очистной камере, эрлифта, гидроэлеватора, не упоминая о таких важных геотехноло-

гических процессах как всасывание и пульпоприготовление.

Для повышения эффективности СГТ, в частности развитии методов расчета и проектирования процессов пульпоприготовления, всасывания и подъема минерального сырья на поверхность, в т.ч. в сложных гидрогеологических условиях необходимо создание и сохранение гидродинамического равновесия расходно-напорных параметров рабочей жидкости и твердого для управления формированием взвесенесущих потоков.

В традиционных схемах скважин-ной гидротехнологии гидроотбойку полезного ископаемого осуществляют в затопленных или осушенных очистных камерах боковым гидромонитором (выводным или встроенным).

Непосредственно процесс перевода твердого в подвижное состояние еще не решает проблем выемки полезного ископаемого: возникает задача создания таких внешних и внутренних воздействий на флюид, при которых направленное, управляемое движение становится неизбежным.

Степень насыщения формируемой гидросмеси твердой составляющей в значительной степени зависит от процессов всасывания и пульпоприготов-ления, которые должны быть взаимоувязаны с гидроразрушением и самотечным гидротранспортированием по подошве очистной камеры.

Выявление реальной структуры процессов СГТ позволяет правильно оценить границы ее применимости. С этой точки зрения остаются эффективными и надежными методы аналитического прогнозирования техники и технологии составляющих СГТ процессов.

В 1962 г. была опубликована работа О.Ф. Васильева [1], в которой

рассмотрено поведение вязко-пластичного рудного тела, залегающего на глубине и вскрытого вертикальной выработкой. Показано, что под весом вышележащих пород руда как из-под штампа выдавливается в ствол скважины, где ее можно откачать на поверхность. В этой работе в основу метода скважинной гидродобычи положена концепция пластических деформаций, возникающих в породах при напряжениях, превышающих предел текучести. В этих условиях происходит течение породы к обнаженной поверхности до тех пор, пока выработка не заполнится породой. Удаление разрушенной породы из выработки создает условия для непрерывного течения. Это явление известно в горном деле как псевдоплывун.

Если в прилегающей к скважине области максимальное касательное напряжение достигает некоторой предельной величины, пески в этой области переходят в подвижное состояние, приобретают способность течь подобно жидкости. В водонасы-щенных песках в результате действия фильтрационных сил, радиус зоны подвижности песков увеличивается при фильтрации воды к скважине и, наоборот, уменьшается при нагнетании воды.

В области подвижности песков происходит течение в направлении ствола скважины, сопровождающееся относительным смещением частиц, разрывом связей между ними и возникновением новых, но уже более слабых. Оплывая со стенок скважины, а затем очистной камеры, песок заполняет нижнюю часть образовавшейся выемки, над которой формируется скважина. Процесс обрушения прекращается из-за того, что песок

УУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУ.

1.

7777777777777УУ777777777777У,

Рис. 1. Характер развития полости при различной устойчивости покрывающих пород: 1 — абсолютно устойчивые; 2 — устойчивые; 3, 4 — неустойчивые

разрыхляется и заполняет свободное пространство, т.е. обнаженная поверхность самоликвидируется.

Если же тем или иным способом удалить обрушившийся песок из камеры, то разрушение будет продолжаться до тех пор, пока не образуется выемка устойчивой формы, где гравитационные силы будут уравновешены сцеплением и внутренним трением зерен песка.

Физический механизм разрушения и течения неустойчивых пород к месту их отбора (плоскости всасывания эрлифта) аналогичен течению песка в залегающие под ним пустоты в карстующихся породах и очень

хорошо изучен на физических моделях. Многочисленные опыты [5], проведенные в лотках с прозрачными стенками показали, что вначале образующаяся каверна имеет яйцевидную форму, ее куполообразный свод скачкообразно обваливается. Песок попадает на шарообразную нижнюю поверхность полости и сползает по ней к месту выпуска. Рост купола вверх продолжается до тех пор, пока его вершина не достигает более прочной породы. Дальнейшее развитие процесса зависит от прочности потолочины. Возможен ряд типичных случаев (рис. 1). При абсолютно крепкой кровле

разрушение руды идет до образования воронкообразной каверны.

В случае относительно устойчивой кровли при достижении некоторой предельной площади обнажения происходит отслаивание или вывалы пород кровли до образования устойчивого свода. Обломки разрушенной кровли, падая на откос каверны, образуют, ее крепление типа каменной наброски. Сползающие к плоскости всасывания негабаритные куски твердого забутовывают гидроподъемное устройство. Если же над песками отсутствуют устойчивые породы, тогда выемка песка приводит к выходу купола на поверхность и образованию провала, вертикальные стенки которого в дальнейшем выполаживаются, формируя суффозионную воронку.

Таков в принципе процесс образования очистной камеры при скважин-ной добычи плывунных песков.

В итоге процесс СГТ плывунных песков погребенных россыпных месторождений в основном сводится к управляемому процессу гидровзвешивания песка в плоскости всасывания с последующим подъемом гидросмеси на поверхность эрлифтом, т.е приток песка к зумпфовой части подъемного устройства должен осуществляться за счет гидровзвешивания струей гидромонитора нижней части продуктивного пласта.

Основным элементом технологического процесса является выемка псевдоожиженных (гидровзвешенных) песков, поступающих к плоскости всасывания эрлифта по нижней части продуктивных песков.

Конструктивно гидромониторные насадки гидродобычного агрегата для разрушения породного массива относительно плоскости всасывания подъемного устройства могут располагать-

ся в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Однако, при добыче слабосвязных пород, обладающих плывунными свойствами, горизонтальное расположение гидромониторных насадок (рис. 2, а) неоправданно, так как действие затопленной струи ограничено, и кинетическая энергия струи гасится в окружающей ее среде.

Другой вариант конструктивного исполнения гидромониторных насадок - это одиночное или рассредоточенное расположение их вокруг всасывающего наконечника подъемного устройства, причем насадки могут располагаться в плоскости всасывания окон подъемного устройства, выше, или ниже их (рис. 2, б,в,г). Расположение насадок в плоскости всасывающих отверстий (рис. 2, в) при разработке плывунных песков способом СГТ нерационально, так как затопленная струя, пересекая линии тока рабочей области всасывания, отгоняет взвешенные частицы породы от всасывающего отверстия. Размещение насадок перед всасывающим отверстием (рис.2, б) также неэффективно (как уже отмечалось выше, область всасывания подъемного устройства ограничена).

По нашему мнению, технологически оправдан вариант расположения насадки гидромонитора на некотором расстоянии за всасывающим отверстием (рис. 2, г). При таком варианте можно максимально использовать кинетическую энергию затопленной струи для псевдоожижения пород непосредственно в плоскости всасывания гидродобычного агрегата.

При этом обязательным условием процесса всасывания является равенство производительности гидродобычного агрегата расходу жидкости,

П1ДР0 СМЕСЬ

Рис. 2. Технология грунтозабора при скважиииой гидротехнологии плывунных руд с боковым размывом (а) и предлагаемая с процессом гидровзвешивания в плоскости всасывания(б,в,г)

во аь

Епкцуя Г 1

ГИДР Ой № с ь

лййййййййййййЖйЕВйЕЯ

ГЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ,

Рис. 3. Принципиальная схема гидровзвешивания песков в нижней части продук тивного пласта песков

дому и воде, м /с; Рж -

гид-

.3 .

производительность ромонитора по воде, м3/с.

Поскольку производительность эрлифта по воде всегда меньше, чем по гидросмеси, то восходящий фильтрационный поток для разуплотнения всего объема камеры-овалоида равен

(3)

Рис. 4. Расходно-напорная характеристика эрлифта (с рабочей зоной А)

подтекающей к всасу из окружающего его пространства. Несоответствие производительности вне и внутри трубы ведет либо к всасыванию малонасыщенной твердым гидросмеси, либо к закупорке горной массой всасывающего наконечника из-за небольших скоростей всасывающего потока, не обладающего достаточной транспортирующей способностью (рис. 3).

Необходимым условием эффективной работы эрлифта является постоянное управляемое псевдоожижение песков в нижней части пласта.

Причем, объемная производительность эрлифта по гидросмеси должна быть равна объемной производительности гидромонитора по воде

и^ж или ит+ (ж =иж (2)

где - объемная производительность эрлифта по гидросмеси, м3/с;

ит, ((ж — соответственно объемная

производительность эрлифта по твер-

где Qф - фильтрационный восходящий поток воды, м3/с.

Фильтрационный восходящий поток воды в очистной камере имеет место в течение всего периода ведения процесса добычи. Поскольку при псевдоожижении в нижней части пласта, песок вытесняя воду в первую очередь поступает во всасывающее отверстие эрлифта (из-за большого удельного веса по сравнению с водой).

Поэтому расчет производительности эрлифта по твердому и гидросмеси должен вестись по водопроизводи-тельности гидромонитора с учетом расхода восходящего потока фильтрационной жидкости.

Нами по результатам экспериментальных работ, проведенных на крупномасштабной лабораторной установке выявлены расходно-напорные характеристики эрлифта (рис. 4).

При этом установлено, что касательная к кривой характеристики эрлифта определяет его режим работы с максимальным к.п.д., а горизонтальная касательная в точке соприкосновения определяет режим работы эрлифта с максимальной производительностью.

Кривая, ограниченная точками 0ор и Ртах называется рабочим участком эрлифта для определенного коэффициента погружения смесителя. А совокупность всех участков определяет рабочую зону работы эрлифта для всех коэффициентов погружения смесителя эрлифта.

Соединение точек максимальной производительности для различных кривых (при переменном а) ограничивает работу эрлифта в режиме максимальной производительности (при конкретном диаметре подъемной трубы эрлифта Э).

Совмещение точек работы эрлифта с максимальным коэффициентом полезного действия ограничивает эксплуатацию эрлифта в оптимальном режиме (рис. 4).

На рис. 5 представлены расход-но-напорные характеристики эрлифта при работе на воде и гидросмеси с различным содержанием

твердого материала при постоянном относительном погружения смесителя эрлифта. Видно, что при эр-лифтном подъеме при работе на воде излив жидкости (воды) начинается при меньших расходах воздуха (по сравнению с подъемом эрлифтом гидросмеси), но и достижение максимальной производительности также происходит при меньшем расходе воздуха.

Увеличение плотности поднимаемой гидросмеси ведет к повышенным расходам воздуха по сравнению с во-довоздушным эрлифтом.

Обработка данных опытов по по-родоподъемному эрлифту позволила установить потребный расход воздуха при работе эрлифта на гидросмеси определенной плотности рп

(V )п =

Рп - Ро 2 1000

1000

(4)

где (Ч)п, Уг - соответственно, расход воз- воде, м3/мин; рп, р0 - соответственно, духа при работе эрлифта на гидросмеси и плотность гидросмеси и воды, кг/ м3.

1. Васильев О.Ф. К проектированию установки для безвскрышной добычи погребенных россыпных месторождений полезных ископаемых. Изд. института гидродинамики Со АИ СССР. Новосибирск, 1962

2. Дробаденко В.П., Малухин Н.Г., Луконина О.А. Расширение сырьевой базы благородных металлов на основе новых гидротехнологий. Горн. инф.-анал. бюл. — издательство «Горная книга», 2002. — С. 146—148.

3. Малухин Г.Н. Обеспечение устойчиво управляемых параметров пульпоприготовления и всасывания в скважинной гидротехнологии.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1999 г.

4. Малухин Н.Г, Дробаденко В.П., Малухин Г.Н., Вильмис АД. (РГГРУ) Развитие теории, и методов расчета скважинной гидротехнологии и их реализация при разработке месторождений полезных ископаемых. Горн. инф.-анал. бюл. — издательство «Горная книга», 2008. — № 12.

5. Толмачев В.В., Карпов Е.Г., Хоменко В.П. Механизм деформации горных пород над подземными карстовыми формами. Инженерная геология, 1982, № 4. г.'-1^

............

КПЧ1

'^Г'ч!"' 'JJNI'fl niM'itMHilft

IL kltUblülHH 1!1ЛЛ1П И

F'\ >РЛЫ I Hü I

I4'J[

Практический курс геомеханики подземной и комбинированной разработки руд

Д.М. Казикаев, Г.В. Савич 2013 г., 2-е издание 224 с.

ISBN: 978-5-98672-341-9 UDK: 622.272:622.83

Рассмотрены наиболее характерные задачи геомеханики подземной и комбинированной разработки рудных месторождений. В каж-

jr/JK1™............дой главе изложена методика решения одной или нескольких одно-

^ —типных задач, также содержится информация об их месте и значимости в общем процессе освоения рудного месторождения. Д.М. Казикаев — д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология подземной разработки рудных и нерудных месторождений» Московского государственного горного университета. Г.В. Савич — старший преподаватель этой же кафедры.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» направления подготовки «Горное дело».

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Дробаденко Валерий Павлович — доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой,

Малухин Николай Гри,орьевич — доктор технических наук, профессор, Вильмис Александр Деонидович — кандидат технических наук, доцент, Щемеров Андрей Алексеевич — аспирант.

Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе, [email protected]

ГОРНАЯ КНИГА