Адаптивный метод вибрационно-сейсмического воздействия на повышение эффективности подземного выщелачивания металлов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.234.42:669 © С.Б. Алиев, В.Н. Захаров, Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов, 2019

Адаптивный метод вибрационно-сейсмического воздействия на повышение эффективности подземного выщелачивания металлов

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-76-80

АЛИЕВ Самат Бикитаевич

Доктор техн. наук, профессор, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, е-mail: alsamat@gmail.com

ЗАХАРОВ Валерий Николаевич

Доктор техн. наук, профессор, член-корр. РАН, ИПКОН РАН,

111020, г. Москва, Россия, e-mail: dir_ipkonran@mail.ru

КЕНЖИН Болат Маулетович

Доктор техн. наук, профессор

100019, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: kbmkz@mail.ru

СМИРНОВ Юрий Михайлович

Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой физики Карагандинского государственного технического университета, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: smirnov_y_m@mail.ru

Статья посвящена повышению эффективности процесса выщелачивания полезных ископаемых. При этом рекомендован адаптивный метод воздействия на продуктивный пласт полезного ископаемого, разработана принципиальная схема реализации метода. Для решения задач разработана математическая модель исполнительного органа, воздействующего на продуктивный пласт, в основе которой лежат дифференциальные уравнения движения основного исполнительного элемента, органа управления и объемного гидравлического привода, а также уравнения, связывающие их параметры. Сформулированы две основные задачи, решаемые при исследовании процесса взаимодействия исполнительного элемента с породным массивом. Ключевые слова: адаптивный метод воздействия, продуктивный пласт, схема реализации, математическая модель, исполнительный элемент, орган управления, объемный гидравлический привод, основные задачи, процесс взаимодействия.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем на современном этапе, стоящих перед горнодобывающей промышленностью, является извлечение ценных компонентов благородных и цветных металлов из проницаемых водоносных отложений методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ). При этом все функции вскрышных, подготовительных и очистных выработок выполняют технологические закачные и откачные скважины. По ним в породо-носный слой нагнетается раствор выщелачивающего реагента, а на поверхность поднимается продуктивный раствор, транспортирующийся в последующем на переработку. Производительность такого метода напрямую зависит от фильтрационной способности продуктивных горизонтов [1].

Как правило, пласты сложены песчано-глинистыми отложениями, в которых слоистая глинистость достигает 30%, что приводит к значительному снижению естественной проницаемости. Это объясняется тем, что получаемая высокодисперсная структура парового пространства препятствует процессу ее капиллярного замещения выщелачивающим раствором.

АДАПТИВНЫЙ МЕТОД ВИБРАЦИОННО-

СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

В настоящее время на полигонах по выщелачиванию металлов для увеличения производительности технологических скважин широко применяются различные локальные способы воздействия на призабойные участки пласта: дренирование, пневмоимпульсное и гидрокави-тационное воздействия, химическая обработка и т.д. Однако такие скважинные методы имеют ограниченный радиус воздействия, и их применение экономически целесообразно только для восстановления естественной проницаемости при освоении эксплуатационных скважин или в случае снижения проницаемости ниже естественной в процессе эксплуатации месторождений. Поэтому применение таких методов для увеличения проницаемости прифильтровых зон не приводит к существенному росту дебита скважин. Предполагается, что существенное повышение технологических показателей СПВ может быть достигнуто на основе применения методов воздействия на продуктивный пласт, которые способствуют увеличению гидродинамической подвижности связанной волны и проницаемости пласта в пределах всей площади обрабатываемого блока [2].

Отмеченная проблема может быть решена при механическом воздействии на пласт, способствующем значительному раскрытию трещин и повышению поверхностного натяжения раствора, способствующего активизации степени высасывания связанной воды.

Одним из таких методов является метод сейсмоволно-вого вибровоздействия на рудовмещающие пласты [2]. В работе теоретически и экспериментально обоснована эффективность метода и получены рекомендации для большей его эффективности.

При этом выдвигается гипотеза о том, что повышение металлоотдачи эксплуатационных блоков СПВ может быть достигнуто при возмущении продуктивных пластов на частотах вибрационно-сейсмического воздействия, близких к частоте пластового резонанса, за счет:

- комплексной декольматации и регионального улучшения коллекторско-фильтрационных свойств продуктивного пласта на всем протяжении фильтрационного потока от закачных до откачных скважин;

- повышения гидродинамической подвижности связанной (пленочной) воды в заглинизированных рудовмещаю-щих препластах и, как следствие, увеличения их фазовой проницаемости выщелачивающих растворов;

- существенного превышения фильтрационной составляющей СПВ над диффузионной.

Однако используемый в работе комплекс не может реализовать эти рекомендации по следующим при -чинам.

Основным его исполнительным органом является де-балансный вибрационный источник, у которого, как известно, величина нелинейной силы зависит от частоты:

Е = т • т2 • к,

где: т - масса дебаланса, т - угловая скорость вращения, к - эксцентриситет.

Анализ этого выражения показывает, что при изменении скорости вращения дебаланса, изменяется в квадратичной зависимости сила воздействия на продуктивный пласт. Для сохранения неизменной силы необходимо автоматически изменять эксцентриситет. В силу этого вибрационный источник не имеет возможности плавного и независимого изменения величины амплитуды силы, частоты колебаний и скважности, а также оперативно изменять форму импульса, что является одним из определяющих при воздействии на пласт.

Несомненно, что степень проявления в продуктивном пласте фильтрационного эффекта будет обусловлена выбором оптимальных параметров вибрационно-сейсмического воздействия. Вследствие этого основная задача, подлежащая решению при разработке метода, состоит в обосновании параметров воздействия на основе анализа механизма фильтрационной виброчувствительности гидрогенного продуктивного пласта.

Многочисленными исследованиями авторов установлено, что отмеченным требованиям отвечает гидравлический вибрационно-сейсмический модуль для адаптивного воздействия на углепородный массив при проведении шахтных геофизических исследований [3]. Это обусловлено тем, что объемный гидравлический привод, являющийся источником энергии модуля, позволяет осуществлять независимую регулировку давления и производительности рабочей жидкости в каждый момент ра-

бочего процесса. Выходные же показатели модуля являются производными от этих величин.

Вышеприведенное позволяет сформулировать задачи комплексных исследований по созданию и внедрению в добывающие отрасли адаптивного метода воздействия на породоносный слой. При этом под адаптацией понимается возможность изменения амплитуды силы, частоты и формы передаваемого в пласт механического импульса при изменяющихся физико-механических и физико-химических свойствах, а также условиях залегания.

Для этого необходимо решить следующие основные задачи:

- синтезировать структурную и принципиальную схемы вибрационно-сейсмического метода воздействия на породоносный слой;

- обосновать параметры вибрационно-сейсмического воздействия на породоносный слой;

- установить основные закономерности распространения сейсмических волн в массиве и при достижении ими породоносного слоя;

- оптимизировать параметры исполнительного органа для воздействия на массив при различных технико-эксплуатационных условиях;

- произвести математическое моделирование и компьютерный эксперимент по установлению основных закономерностей протекания физических процессов распространения волн в массиве;

- разработать методические основы проведения работ по повышению эффективности подземного выщелачивания металлов.

Основным средством реализации этого метода является гидравлический вибрационно-сейсмический модуль [4]. В качестве основного исполнительного элемента используется гидравлическое вибрационное устройство, получающее энергию от объемного гидравлического привода. Схема модуля представлена на рис. 1.

Исполнительный орган сейсмоисточника (ИО) получает энергию от источника энергии (ИЭ) и отрабатывает режимы движения, задаваемые органом управления (ОУ). Режимы задаются генератором импульсов (Г) и усилителем сигналов (УС). Отработанный сигнал ИО передается на забой пласта (З) в виде различных по форме и чередованию сейсмических сигналов. Отраженный импульс регистрируется сейсмоприемником (С) и передается на анализатор сигналов (А).

Описанный метод предполагает определенные требования, предъявляемые к используемому оборудованию. Основные из них:

- источник энергии должен соответствовать требованиям техники безопасности и адаптирован к условиям горнодобывающего производства; наиболее приемлемым в настоящее время является объемный гидравлический;

- исполнительный орган: для преобразования гидравлической энергии в энергию сейсмических импульсов. При их значительных амплитудах наиболее приемлемым является гидроцилиндр поступательного действия;

- генератор импульсов должен обеспечить плавное и независимое друг от друга изменение амплитуды импульсов, их длительности и скважности при различных фор-

мах. В настоящее время наиболее эффективными являются электронные генераторы, выдающие прямоугольную, синусоидальную и пилообразную форму при значительном интервале частот: 0-100 Гц;

- усилитель сигналов предназначается для обеспечения необходимого управляющего воздействия на исполнительный орган и для отработки им сейсмических сигналов заданной формы. При геофизических исследованиях в настоящее время хорошо зарекомендовали себя электронно-гидравлические усилители мощности типа УЭГ;

- орган управления, совмещая и объединяя параметры генератора и усилителя импульсов, предназначен для генерирования и передачи с минимальными искажениями импульсов требуемой формы, частоты и скважности при минимальном влиянии на КПД сейсмоисточника в целом;

- анализатор предназначен для преобразования полученной приемником информации от массива, сравнения ее с эталонными характеристиками массива. Это потребует разработки соответствующих компьютерных программ, базирующихся на результатах сейсмологических исследований.

Схема для реализации предполагаемого метода предполагает, что в качестве источника низкочастотных колебаний должен использоватья гидравлический вибрацион-

ный модуль, включающий базовую машину, исполнительный элемент, электронно-гидравлический блок управления и электронный блок мониторинга технологического процесса. При этом электронный блок мониторинга технологического процесса получает сигналы от датчика расхода и концентрации металла, установленного на выходе из откачивающей скважины, преобразует их с помощью регистратора, дешифратора и корректора, передает их в электронно-гидравлический блок управления, где электронные сигналы преобразуются в гидравлические и передаются в исполнительный элемент.

Схема осуществления метода приведена на рис. 2,3.

Она включает базовую машину I (любая машина или агрегат, оснащенный объемным гидравлическим приводом), силовой блок II, электронно-гидравлический блок управления III и электронный блок мониторинга IV.

Силовой блок смонтирован на стреле базовой машины (см.рис.2), имеет силовой гидравлический цилиндр 1 с гидравлическими рабочими камерами прямого 2 и обратного 3 хода. На штоке гидроцилиндра установлена вибрационная плита 4. Блок предназначен для генерирования и передачи массиву низкочастотных механических колебаний с изменяющейся амплитудой, частотой, скважностью и формой импульса.

Электрогидравлический блок управления также располагается на базовой машине, на рабочем месте оператора. Он включает ручной двухпозиционный гидравлический распределитель 5, питающийся от объемного гидравлического привода, и электронно-гидравлический распределитель 6, получающий управляющие сигналы от электронного блока мониторинга. Блок предназначен для перераспределения потока жидкости между рабочими камерами силового блока и придания штоку совместно с вибрационной плитой, контактирующей с объектом воздействия, механических колебаний.

Электронный блок мониторинга IV (см. рис. 3) состоит из датчика расхода и концентрации металла 7, установленного на выходе из откачивающей скважины, регистратора 8, дешифратора показаний 9 и корректора 10, сигналы от которого поступают в генератор импульсов 11 и далее в электронный усилитель сигналов 12. От усилителя сигналы поступают на электрический вход электронно-гидравлического распределителя блока управления.

В соответствии с вышеизложенным схема работает следующим образом. В исходном состоянии ручной гидравлический распределитель 5 находится в левом крайнем положении (по фигуре), и рабочая жидкость от гидропривода базовой машины к виброисточнику не поступает. Электронно-гидравлический распределитель 6 при этом занимает крайнее левое положение. При включении ручного гидравлического распределителя 5 в крайнее правое положение жидкость от гидропривода через распределители 5 и 6 поступает в поршневую камеру 2 прямого хода виброисточника, из штоковой камеры 3 жидкость удаляется в сливной трубопровод гидросисте-

мы. Таким образом, на штоке и вибрационной плите 4 генерируется нагрузка и передается на объект воздействия - обрабатываемый массив. При включении генератора импульсов 11 и электронного усилителя сигналов 12 сигналы заданной частоты, формы и скважности поступают в электронно-гидравлический распределитель 6, который попеременно в соответствии с заданной программой производит перераспределение потока рабочей жидкости между рабочими камерами силового блока. При переключении электронно-гидравлического распределителя 6 в крайнее правое положение поршневая камера 2 сообщается со сливной магистралью гидропривода, генерируемая нагрузка с вибрационной плиты снимается, как и с обрабатываемого массива. Согласно этому на вибрационной плите 4 генерируются механические колебания заданной частоты, амплитуды, формы и скважности и передаются на обрабатываемый массив. Проникая через покровные осадочные отложения 13 и водоупорную кровлю продуктивного пласта 14, вибрационный сигнал попадает непосредственно в продуктивный пласт 15 и воздействует на выщелачивающий реагент, закачиваемый в пласт через нагнетающую скважину 16. Под действием энергии полученных колебаний возрастает эффективность процесса выщелачивания, поскольку в пласте появляются дополнительные поры и обнажаются дополнительные поверхности контакта реагента с продуктивным пластом. В дальнейшем полученный продуктивный раствор выводится через откачивающую скважину 17, на выходе которой установлен датчик расхода и концентрации выщелачиваемого металла 7.

При изменении концентрации металла и расхода выщелачивающего реагента в меньшую сторону из откачивающей скважины команда от датчика 7 подается на регистратор 8, в котором производится фиксирование параметров, далее сигнал обрабатывается в дешифраторе 9 и корректируется в корректоре 10.

При номинальных показателях концентрации и расхода коррекция не производится, и параметры колебательного процесса остаются неизменными от цикла к циклу. При отклонении показателей корректор дает команду на генератор сигналов, производится изменение частоты, скважности и формы импульсов, которое передается на усилитель сигналов и далее на электронно-гидравлический

распределитель 6. Корректировка продолжается до достижения номинальных значений показателей концентрации и расхода.

Для апробации принятых решений составлена имитационная модель процесса взаимодействия гидравлического исполнительного органа с объектом воздействия, в основе которой лежат дифференциальные уравнения движения рабочего органа [5]:

МХ + (11с+11н)Х + (Сн+Сс)Х =

= Р0-Иа-Яе+СвХ0+СвГЛ (1)

МХ + ^нХ + СсХ = Я0(е-1)-Яс (2)

и органа управления:

=^Ро - Рсл - 2 Рс -Ар Л ^'

и1е+ф 1 >у \+$="

й2 у йу

I /Т\ I ^

(3)

(4)

где: Е - эффективная площадь поршня; т - коэффициент расхода через рабочее окно золотника; кг - коэффициент пропорциональности при определении площади открытия рабочего окна золотника; Д - открытие рабочего окна золотника; g- ускорение свободного падения; у - удельный вес рабочей жидкости; р0- давление подводимого потока рабочей жидкости; рл - давление на сливе; х - перемещение золотника; у - перемещение поршня.

Модель также учитывает физико-механические показатели массива [6]:

и = и.

я

z г„

[1+(1 -у2)];

V = 2 ^ [ +(№+Хн )2 ]-1 • ^ К = 7 (1 -У2) Р^Л2,

(5)

(6) (7)

где: и 2 - смещение частиц массива; г, 8, <р - сферическая

2

система координат; г, - радиус контакта; у = —; и0 - на-

0 ^ 2

чальное смещение (от статики); - амплитуда силы; р -плотность массива;/ - частота воздействия.

V го

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При исследовании модели для заданных исходных показателей могут быть решены две основные задачи. Первая: по заданным эксплуатационным показателям определяются параметры исполнительного органа, органа управления и контроля. Вторая: по заданным параметрам исполнительного органа устанавливается его эффективность для конкретных условий применения.

Список литературы

1. Макарюк Н.В. Применение метода сейсмоволно-вого вибровоздействия для повышения фильтрационных и технологических параметров скважинного подземного выщелачивания металлов // ФТПРПИ. 2009. № 6. С. 86-99.

2. Макарюк Н.В., Клишин В.И., Золотых С.С. Исследование влияния виброчувствительности горных пород на мета-ноотдачу угольных пластов при вибросейсмическом воз-

действии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 5.

3. Кенжин Б.М., Смирнов Ю.М. Гидравлический вибрационно-сейсмический модуль // Горный журнал Казахстана. 2009. № 5. С. 20-22.

4. Кенжин Б.М., Смирнов Ю.М. Исследование имитационной модели взаимодействия вибрационно-сейсмического модуля с углепородным массивом // Сборник научных трудов «Проблемы горного дела». 2009. № 17. С. 58-66.

5. Некоторые результаты имитационного моделирования взаимодействия вибрационно-сейсмического модуля с углепородным массивом / Б.М. Кенжин, С.Б. Алиев, Ю.М. Смирнов и др. // Уголь. 2012. № 6. С. 84-87. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/062012.pdf (дата обращения: 15.01.2019).

6. Saeger E., Bohlen Т. Finite-difference modeling of viscoelastic and anisotropic wave propagation using the rotaled staggered grid // Geophysics. 2004. Vol. 69. N 2. Рр. 583-591.

MINERALS RESOURCES

UDC 622.234.42:669 © S.B. Aliev, V.N. Zakharov, B.M. Kenzhin, Yu.M. Smirnov, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 2, pp. 76-80

Title

ADAPTIVE METHOD OF VIBRATION AND SEISMIC EFFECT ON IMPROVmG THE EFFICIENCY OF m-SITU LEACHING OF METALS

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-76-80

Authors

Aliev S.B.', Zakharov V.N.', Kenzhin B.M.2, Smirnov Yu.M.3

1 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation

2 Karaganda, 100019, Republic of Kazakhstan

3 Karaganda State Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan

Authors' Information

Aliev S.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Senior Researcher, e-mail: alsamat@gmail.com

Zakharov V.N., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: dir_ip-konran@mail.ru

Kenzhin B.M., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: kbmkz@ mail.ru

Smirnov Yu.M., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of department of physics, e-mail: smirnov_y_m@mail.ru

Abstract

The paper is dedicated to improving the efficiency of the minerals leaching process. An adaptive exposure method for the mineral productive stratum is recommended, and a conceptual scheme for the implementation of the method is developed. To solve the problems, a mathematical model of the actuator effecting the productive stratum has been developed, which is based on differential equations of main actuator, controller and volumetric hydraulic drive motion, as well as the equations linking their parameters. Two main tasks are formulated to be solved in the study of interaction process between the actuator and the rock mass. Figures:

Fig. 1. Structural diagram of the vibration-seismic module

Fig. 2. The scheme of interaction between the actuator and the rock mass

Fig. 3. Diagram of the electronic-hydraulic control and monitoring unit

Keywords

Adaptive exposure method, Productive stratum, Implementation scheme, Mathematical model, Actuator, Controller, Volumetric hydraulic drive, Main tasks, Interaction process.

References

1. Makaryuk N.V. Primenenie metoda seysmovolnovogo vibrovozdeystviya dlya povysheniya filtratsionnyh i tekhnologicheskih parametrov skvazhin-nogo podzemnogo vyshchelachivaniya metallov [Application of the seismic wave vibration method to increase the filtration and process parameters of downhole leaching of metals]. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh - Journal of Mining Science, 2009, No. 6, pp. 86-99.

2. Makaryuk N.V., Klishin V.I. & Zolotyh S.S. Issledovanie vliyaniya vibro-chuvstvitelnosti gornyh porod na metanootdachu ugolnyh plastov pri vi-broseysmicheskom vozdeystvii [Investigation of the influence of vibration sensitivity of rocks on the methane recovery of coal seams during vibro-seismic exposure]. Gornyi Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten'- Mining Information and Analytical Bulletin, 2002, No. 5.

3. Kenzhin B.M. & Smirnov Yu.M. Gidravlicheskiy vibracionno-seysmicheskiy modul [Hydraulic vibration seismic module]. Gornyizhurnal Kazahstana -Mining Journal of Kazakhstan, 2009, No. 5, pp. 20-22.

4. Kenzhin B.M. & Smirnov Yu.M. Issledovanie imitacionnoy modeli vza-imodeystviya vibracionno-seysmicheskogo modulya s ugleporodnym mas-sivom [Investigation of a simulation model of interaction of a vibration-seismic module with a coal-bearing rock mass]. Sbornik nauchnyh trudov "Problemy gornogo dela" - Collection of scientific papers "Problems of mining", 2009, No. 17, pp. 58-66.

5. Kenzhin B.M., Aliev S.B., Smirnov Yu.M., Ibatov M.K. & Root E.G. Nekotorye rezul'taty imitacionnogo modelirovaniya vzaimodejstviya vibracionno-sejsmicheskogo modulya s ugleporodnym massivom [Some results of the simulation study of interaction between vibration and seismic module and coal rock massif]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2012, No. 6, pp. 84-87. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/062012.pdf (accessed 15.01.2019).

6. Saeger E. & Bohlen T. Finite-difference modeling of viscoelastic and anisotropic wave propagation using the rotaled staggered grid. Geophysics, 2004, Vol. 69, No. 2, pp. 583-591.