CC BY
39
© Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, А.Л. Вильмис, 2009
Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, А.Л. Вильмис
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКИ ПЛЫВУННЫХ ПЕСКОВ ПРИ ОСВОЕНИИ ПОГРЕБЕННЫХ, ПЛЫВУННЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СПОСОБОМ СКВАЖИННОЙ ГИДРОТЕХНОЛОГИИ
Рассмотрены вопросы скважинной гидротехнологии песков, находящихся в неустойчивом состоянии, порядок создания и сохранения гидродинамического равновесия расходно-напорных параметров рабочей жидкости и твердого для управления формированием взвесенесущих потоков.
Ключевые слова: скважинная гидротехнология, всасывание, пульпоприготовле-ние, водонасыщенные пески, гидромониторные насадки, гидросмесь.
~П опросы освоения погребенных, обводненных осадочных,
М.М 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 скважинной 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 неосвещены.
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 незатопленными 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 горно-геологических 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 геотехнологических 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 скважинной 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 пульпоприготовления, 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 водонасыщенных 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 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 дотех 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 забутовы-вают 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 скважинной 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 располагаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Рис. 1. Характер развития полости при различной устойчивости покрывающих пород
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).
Рис. 2. Технология грунтозабора при скважинной гидротехнологии плывунных руд с боковым размывом (а)и предлагаемая с процессом гидровзвешивания в плоскости всасывания (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 породнепосредственно в плоскости всасывания гидродобычного агрегата.
При этом обязательным условием процесса всасыванияявляет-ся равенство производительности гидродобычного агрегата расходу жидкости, подтекающей к всасу из окружающего его пространства.
Несоответствие производительности вне и внутри трубы ведет либо к всасыванию малонасыщенной твердым гидросмеси,
ВОДА
воздух *
* А
ГИДРОСМЕСЬ
Рис. 3. Принципиальная схема гидровзвешивания песков в нижней части продуктивного пласта песков
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+ =и (2)
где Qn - объемная производительность эрлифта по гидросмеси, м3/с; ит, Qж - соответственно объемная производительность эрлифта по твердому и воде, м3/с; Qж - производительность гидромонитора 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
Qф=Qж- Qж, (3)
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 водопроизводительности 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 Qopt и Qmax 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 D).
Совмещение точек работы эрлифта с максимальным коэффициентом полезного действия ограничивает эксплуатацию эрлифта в оптимальном режиме (рис. 4).
На рис. 5 представлены расходно-напорные характеристики эрлифта при работе на воде и гидросмеси с различным содержанием твердого материала при постоянном относительном погружения смесителя эрлифта. Видно, что при эрлифтном 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.
Рис. 4. Расходно-напорная характеристика эрлифта (с рабочей зоной А)
Увеличение плотности поднимаемой гидросмеси ведет к повышенным расходам воздуха по сравнению с водовоздушным эрлифтом.
Обработка данных опытов по породоподъемному эрлифту позволила установить потребный расход воздуха при работе эрлифта на гидросмеси определенной плотности рп
Рп ~РС
2 1ССС
- +
Р п
1ССС
(4)
1.5
3,7
5
3,6
б
3,5
7
3,4
3
3,3
9
0 5 1 1 2 2 3
------------------------------------------* II---------
Рис. 5. Расходно-напорная характеристика эрлифта
где (Vr)n, Vr - соответственно, расход воздуха при работе эрлифта на гидросмеси и воде, м3/мин; рп, р0 - соответственно, плотность гидросмеси и воды, кг/ м3.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. Моск. гос .горн. ун-т , 2002 г.№ , С.146-148.
3. Малухин Г.Н. Обеспечение устойчиво управляемых параметров пульпо-приготовления и всасывания в скважинной гидротехнологии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1999.
4. Малухин Н.Г, Дробаденко В.П., Малухин Г.Н., Вильмис А.Л. (РГГРУ) Развитие теории, и методов расчета скважинной гидротехнологии и их реализация при разработке месторождений полезных ископаемых. Горн. инф.-анал. бюл. 2008. №12.
5. Толмачев В.В., Карпов Е.Г., Хоменко В.П. Механизм деформации горных пород над подземными карстовыми формами. Инженерная геология, 1982, № 4. ЩДЗЗ
N. G. Maluhin, V.P. Drobadenko, L.A. Vilmis
THE IMPROVING OF THE EFFICIENCY OF RUNNING SAND STOPED EXCAVATION DURING EXPLORING THE BURIED, RUNNING PLACER DEPOSITS BY BOREHOLE HYDRAULIC TECHNOLOGY
The main issues of the borehole hydraulic mining of sands ее are it h instable state are reviewed.
Key words: Borehole hydraulic technology, intaking, preparation а pulp, saturated sand, jet nozzles.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Дробаденко В.П. - профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой комплексного освоения и экологии россыпных и морских месторождений,
Малухин НГ - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой геотехнологии руд редких и радиоактивных металлов,
Вильмис А.Л. - старший научный сотрудник.
Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе, [email protected]
