Аналитические исследования эрлифтного подъёма пульпы при скважинной гидравлической технологии добычи угля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.В. Мельник, 2002

УДК 622.234.5.001.572

В.В. Мельник

О

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭРЛИФТНОГО ПОДЪЕМА ПУЛЬПЫ ПРИ СКВАЖИННОЙ

ДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ

дной из основных подсистем при скважинной гидродобыче (СГД) является подъем пульпы. В настоящее время для подъема пульпы при СГД угля возможно использование эрлифтов, гидроэлеваторов (струйных насосов), гидроэлеваторных аппаратов. Преимущества и недостатки указанных выдачных устройств общеизвестны. Однако до настоящего времени, к сожалению, не разработаны общепринятые методики расчета производительности этих выдачных устройств. Данная работа посвящена аналитическим исследованиям эрлифтного подъема пульпы при СГД угля.

Эрлифт представляет собой аппарат для подъема жидкости или пульпы за счет энергии расширения предварительно сжатого воздуха или газа. Процесс расширения сжатого воздуха происходит при интенсивном перемешивании его с движущейся гидросмесью. При использовании технологии эрлифтного подъема эффективность выдачи угольной пульпы повышается при увеличении величины обводненной части эксплуатационной скважины. Практика СГД твердых полезных ископаемых показывает, что работоспособность и надежность эрлифтного подъема предопределяет эффективность работы всего геотехнического комплекса СГД. Причем максимальная производительность эрлифта связана с величиной относительного коэффициента погружения, где главную роль играет газожидкостная смесь (воздух + вода).

Существуют по крайней мере четыре точки зрения [1] на физическую сущность процесса подъема жидкости эрлифтом:

• подъем жидкости происходит за счет расширяющегося газа;

• относительная скорость фаз является необходимым условием подъема жидкости;

• процесс подъема жидкости определяется работой комплекса газовых негерметичных пузырей;

• подъем жидкости осуществляется за счет снижения плотности смеси в подъемном трубопроводе при неизменном давлении вне трубы.

Во многих организациях накоплен значительный опыт разработки, исследований и внедрения эрлифтного подъема воды, шлама и пульпы: ДонГТУ (ДНИ) под руководством проф. В.Г. Гейера [2,3], в Лаборатории морского горного дела и гидромеханизации ВНИПИГОРЦВЕТМЕТа - С.Ю. Истошин, Е.А. Контарь, во ВНИИНеруде - В.И. Михайлов, в ГИГХСе - проф. В.Ж. Аренс, в МГРИ (МРГА) - проф. А.Е. Смолдырев [5] и проф. Н.Г. Малухин [6].

В таблице представлены все основные методы и зависимости для определения производительности эрлифтного подъема.

Значительной группой исследователей в области эрлифтного подъема разработан эмпирический метод расчета эрлифта, который позволяет использовать его только для тех условий, в которых проводились исследования. Так, методика А.Е. Смолды-рева (см. таблицу) предусматривает использование зависимостей для определения производительности эрлифта с использованием критериальных зависимостей Фруда как для

жидкости, так и для газа.

л = и

’

где и - скорость движения жидкости и газа в подъемном трубопроводе эрлифта, м/с; Б - диаметр подъемной трубы, м; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Предлагаемые проф. А.Е. Смолдыревым зависимости для определения производительности эрлифта неприемлемы для условий скважинной гидродобычи угля по следующим причинам:

• изменение в широких пределах скорости (от начальной, близкой к нулю у смесителя, до максимальной - на из-ливе) как у газа, так и у жидкости в вертикальной трубе эрлифта;

• неправомерность использования критерия Фруда для эрлифтных систем, так как геометрический параметр эрлифта в этом уравнении может быть представлен как в виде диаметра, так и длины эрлифта; кроме того, эти геометрические параметры влияют на работу эрлифта неоднозначно;

• отсутствие учета длины эрлифта. Кроме того, отношение величин оптимальной и максимальной производительности эрлифта является константой (в частности, для выражений (1 и 3, таблица), что не подтверждается практикой работы эрлифта и результатами, полученными другими исследователями в области эрлифтного подъема [2, 3, 4, 5,

7, 8].

В настоящее время общепризнанными для эрлифтного подъема при добыче нефти являются зависимости проф. А.П. Крылова (таблица).

Из анализа этих выражений следует, что, во-первых, производительность эрлифта должна зависеть от абсолютной длины подъемной трубы и, во-вторых, соотношение между производительностями в режиме максимального КПД и излива не соответствует следующему выражению для всей числовой оси значений коэффициента погружения

Оо

= (1 -а)

(1)

бтах

В ДонГТУ (ДНИ) под руководством проф. В.Г. Гейера проводились аналитические, стендовые и шахтные исследования процесса эрлифтования воды, шлама и пульпы.

Профессором, докт. техн. наук Н.Г. Малухиным предложена следующая зависимость для определения производительности эрлифтного подъема пульпы

Qж

2

gn

-Ал[й

(і + Чср )-

1

1+q,

• D

2.5

(2)

ср

а

8

где чср - средний удельный расход воздуха, м/мЗ,

Чср = q(Pa/ Pр).

(З)

Значение коэффициента А определяется по следующему выражению:

A = 1

4т

В результате исследований получены следующие соотношения:

- для режима максимальной производительности

A = 0.58чар ~0’2 + 0,02;

- для режима оптимальной производительности

A = 0,58q(

-0,2

ар

+ 0,02;

(4)

(5)

(6)

- средний удельный расход воздуха

Чр = 60в -0-2

Следовательно, задавая диаметр трубы эрлифта и величину коэффициента погружения смесителя эрлифта, можно из выражения (6) получить удельный расход воздуха, а затем из соответствующего режима (4) определить коэффициент потерь в трубе эрлифта.

К недостаткам зависимости (2) следует отнести отсутствие каких-либо характеристик (крупность, максимальный диаметр куска, гранулометрический состав) выдаваемой пульпы.

Как уже отмечалось, выдача пульпы на поверхность является подсистемой СГД угля. В соответствии с работой [13] «подсистеме выдачи пульпы на поверхность» предшествуют подсистемы «разру-шения угольного массива» и «безнапорный транспорт пульпы». В разработанной методике определения производительности безнапорного транспорта пульпы при скважинной гидротехнологии уделено значительное вни-

мание способности угольного массива разрушаться на куски определенных размеров как непосредственно при гидравлическом разрушении, так и дополнительном переизмельчении при безнапорном транспортировании к выдачному устройству.

Поэтому надежное и управляемое прогнозирование крупностью добываемого угля при скважинной гидротехнологии позволит обеспечить производительную работу всех подсистем технологии и геотехнологического комплекса СГД в целом.

В качестве базовой зависимости для определения производительности эрлифтного подъема пульпы при СГД угля принимаем зависимость проф. Н.Г. Малухина с добавлением величины Rd, характеризующей гранулометрический состав выдаваемой пульпы.

В связи с этим зависимость (2) примет вид

Q:x: = Rd • З,46 Ajh

i(1+Чар)-а

D

2,5

(7)

1 Чср

Работоспособность и надежность данной зависимости будет проверена при стендовых испытаниях эрлифтового подъема пульпы, что составляет следующий этап исследований геотехнологических комплексов СГД угля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Муравьев И.М., Репин Н.Н. Исследование движения многокомпонентных смесей в скважинах.- М.: Недра, 1972, - 207 с.

2. Гейер В.Г. Воздушные водоподъемники (эрлифты) как водоотливные средства при проходке вертикальных стволов. - М.: Уголь, 1953, №11. - С. 23-26.

3. Гейер В.Г., Малыхин С.С.,

Быков А.И. Опыт механизации чистки зумпфов и применение эрлифтов на вспомогательных водоотливах шахт Донбасса. - М.: Недра, 1966, - 24 с.

4. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В.,

Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. - М.: Недра, 1980. - 267 с.

5. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. - М.: Недра, 1980.

- 293 с.

6. Малухин Н.Г. Исследование

параметров подъема пульпы и их влияние на эффективность скважинной гидродобычи. Дисс. ... канд. техн. наук. -М.: МГРИ, 1979.

7. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. - М.: МГРИ, 1981, - 85 с.

8. Теория и практика газлифта. -М.: Недра, 1987. 256 с.

9. Крылов Л.П., Муравьев И.М. Эксплуатация нефтяных месторождений. - М.: Гостоптехиздат, 1949. 345 с.

10. Груба В.И., Никулин Э.К., Оголобченко А.С., Папаяни Ф.А. Основы управления гидроэнерготранспортными системами угольных шахт. - Донецк «Донбасс», 1993. - 225 с.

11. Антонов Я.К., Козыряцкий Л.Н., Малашкина В.А., Холмогоров

А.П., Хунис Я.Е. Гидроподъем полезных ископаемых. - М.: Недра, 1995. -С. 173.

12. Малухин Н.Г. Перспективные схемы подъема при скважинной гидродобыче богатых железных руд с глубин 800 и более метров. Материалы советско-югославского симпозиума по проблемам скважинной гидротехнологии. - М.: МГРИ, 1991. - С. 86

- 88.

13. Мельник В.В. Современная концепция и модели повышения эффективности разрушения угольного массива струями при скважинной добыче. - М.: Изд. МГГУ, ГИАБ, вып. №12, 2001. -С. 101-106.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2001» СЕМИНАР № 18

Мельник Владимир Васильевич — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет.