Геотехнологические аспекты освоения обводненных, погребенных россыпных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.П. Дробадснко, Н.Г. Малухин, А.Л. Вильмис, 2012

УДК 622.234.5

В.П. Дробаденко, Н.Г. Малухин, А.Л. Вильмис

ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОСВОЕНИЯ ОБВОДНЕННЫХ, ПОГРЕБЕННЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Изложены вопросы освоения сложноструктурных россыпных месторождений. Все варианты скважинной гидротехнологии разделены на три основные технологические схемы. Показаны области применения различных геотехнологических схем очистной выемки в зависимости от горно-геологических факторов. Ключевые слова: буровая скважина, россыпное месторождение, гидросмесь.

Скважинная гидротехнология (СГТ) для крупнообъемного опробования обводненных и подводных осадочных в т.ч. 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.

Основными операциями технологического процесса являются:

• вскрытие с помощью буровых скважин;

• гидравлическое разрушение (размыв) пласта напорной струей воды (в осушенном или затопленном очистном пространстве), дезинтеграция и перевод в забое разрушенной горной мас-

сы в состояние гидросмеси (пульпо-приготовление, всасывание);

• доставка (самотечная или принудительная) гидросмеси от забоя до всаса выдачного устройства или пуль-поприемной скважины, всасывание;

• выдача гидросмеси на поверхность к установкам для транспортирования и обогащения;

• управление горным давлением.

Таким образом, этот способ базируется на строгом регламенте и неразрывности во времени и пространстве вышеприведенных технологических операций.

В условиях обводненных и морских погребенных россыпей сложность проведения СГТ заключается не только во взаимоувязке технологических операций, но и принятии специальных мер по обеспечению воздействия напорных водяных струй на забой в воздушной среде. Это необходимо в связи с тем, что в этом случае дальность разрушения увеличивается в несколько раз. Это может достигаться подачей сжатого воздуха в загерметизированную камеру для отжа-тия воды из нее до уровня ниже гидромонитора.

Однако, не на всех месторождениях технически возможна герметизация

пласта. Поэтому предложены технологии проведения СГТ в затопленном забое. При этом скважина изолируется от поверхностного водоема. Добычное оборудование представляет собой гидромонитор с эрлифтом или гидроэлеватором. Для увеличения эффективности выемки гидромонитор и подъемный агрегат в отдельности могут совершать колебательные движения определенной частоты и амплитуды. Это позволяет улучшить условия отбойки, поддерживает разрушенную руду во взвешенном состоянии и улучшает условия всасывания.

Основные факторы, влияющие на эффективность гидроразмыва при СГТ.

Гидроразмыв определяет максимально достижимую производительность всего комплекса скважинной гидродобычи. Именно от этого процесса, как первичного звена, зависит эффективность СГТ. Расчеты гидромониторных струй среднего давления (в технологии СГТ погребенных морских россыпей используется давление до 10 МПа) основываются на результатах лабораторных и стендовых испытаний. Основная задача состоит в том, чтобы сохранить минимально необходимую мощность средств разрушения (напор и расход воды на гидромониторной насадке) на возможно большем расстоянии в направлении действия струи в очистной камере.

При оценке эффективности разрушения учитываются следующие горно-геологические факторы:

• размываемость горных пород, т.е. при каком минимальном давлении струи в забое возможен размыв массива. В табл. 1 приведены опытные данные размываемости различных горных пород (т.е. оценка минимально допустимого критического давления на забое Ркр, при котором происходит размыв);

• мощность размываемого массива. При значительных мощностях горных пород возможности технологических приемов гидроразмыва и манипуляций гидрокомплекса в целом существенно расширяются;

• угол падения размываемого пласта; что непосредственно связано с самотечным гидротранспортом по почве выемочной камеры и сеткой расположения эксплуатационных скважин;

• обводненность массива обусловливает не только производительность гидроразмыва, но и возможность ведения СГТ в осушенных очистных камерах, т.к. расчетная производительность гидроподъема может не справиться с большими водопритоками.

Диаметр насадки скважинного гидромонитора, длина и диаметр его ствола, а также тип струеформирующего устройства выбирается с учетом габаритов эксплуатационной скважины. Исходя из этого, используются различные способы вывода скважинного гидромонитора в рабочее положение:

• встроенный (гидромонитор, имеющий только насадку, конструктивно жестко закрепленную с гидродобычным агрегатом);

• выносной (гидромонитор, состоящий из насадки и ствола небольшой длины — около 10^15 см), имеющий горизонтальное перемещение за счет подпружиненного ствола;

• выводной (гидромонитор, состоящий из насадки и достаточно длинного ствола — до 100 см), выходящий из транспортного вертикального положения в горизонтальное за счет реакции струи. Крутящий момент вывода гидромонитора (давление на насадке гидромонитора 60 ат при а=19 мм) составляет значительную величину (М = 400 кГм).

При ведении выемочных работ в затопленных камерах радиус гидромониторного размыва К не превыша-

Таблица 1

Размываемое динамическое давление струи в плоскости забоя

№ Наименование породы Необходимое давление струи

п/п на забое Ркр, кг/см2

1 Увлажненный мелкозернистый песок 0,14

2 Сильноувлажненный песок 0,36

3 Супесь 1,48

4 Глауконитовый песок 1,7

5 Желтый суглинок 2,0

6 Бурый суглинок 4,0

7 Влажная глина 4,8

8 Темно-серая глина 7,2

9 Светло-коричневая глина 9,3

10 Красная глина 27,3

ет 200—250 мм. Т.е. в таких условиях струя не столько размывает массив, сколько управляет процессом пульпоприготовления в плоскости всасывания. Для интенсификации размыва в таких условиях используют гидромониторные двухфазные струи:

• водяная струя с эжектированием песка;

• водная струя в смеси с воздухом;

• водная струя, вылетающая из насадки в воздушной рубашке.

Факторы, влияющие на величину транспортирующей способности потока по подошве очистной камеры.

Эффективное ведение процесса очистных работ в осушенных очистных камерах при скважинной гидродобыче погребенных россыпей возможно только при условии соблюдения интенсивного накопления гидросмеси у забоя и ее самостоятельного гидротранспортирования по подошве очистной камеры. Исходя из этого, на величину транспортирующей способности потока влияют следующие факторы:

• горно-геологические (плотность руды, мощность массива песков, угол падения);

• конструктивные (радиус размыва, угол раскрытия сектора размыва).

Поскольку процессы при скважин-ной гидродобыче локальны, т.е. непосредственно связаны с эксплуатационной скважиной, форма очистной камеры представляет собой сектор с разным углом раскрытия. Причем, при взаимодействии со смежными скважинами очистная камера имеет форму ромба.

Угол наклона подошвы очистной камеры в процессе ее отработки вы-полаживается до постоянно-предельного (для конкретных пород) уклона, равного а=5^6° для супесей. При размыве в секторе расход воды на единицу его ширины минимальный у забоя и максимальный у зумпфа, поэтому транспортирующая способность безнапорного (самотечного) потока невелика у забоя (где глубина достаточно большая). Таким образом, у забоя обрушающиеся при размыве куски не могут быть увлечены потоком из-за небольших глубин. Даже те, которые отлетают от забоя, падают на подошву и не транспортируются потоком малой глубины. С другой стороны, призабойные большие куски в результате значительной турбулентности у забоя вовлекаются потоком в движение, но по мере увеличения глубины потока его транспортирую-

щая способность снижается и подошва очистной камеры обогащается кусками щебня и гальки.

Производительность гидрокомплекса при этом минимальна. Для увеличения производительности самотечного гидротранспорта сектор размыва должен отрабатываться с использованием промежуточных захо-док с меньшим углом раскрытия и междузаходочными целиками. Размыв происходит в результате периодического чередования размыва заходок (15^20 сек). В результате по всему сектору заходок изменяется глубина потока, а его транспортирующая способность остается оптимальной для кусков всего гранулометрического состава, размываемого на забое. Самотечный транспорт при этом осуществляется при нестационарном режиме траспортирующей жидкости, что является более эффективным. Промежуточные целики, находящиеся под значительным горным давлением, достаточно легко смываются в последний период отработки сектора размыва. Подобный порядок отработки сектора размыва соблюдается по всему полигону.

Таким образом, технология гидротранспортирования гидросмеси по подошве сектора размыва должна обеспечивать максимальную транспортирующую способность потока при периодическом перемещении процесса гидроразмыва в смежные заходки с учетом кратковременности обнажения кровли очистной камеры. Удельная транспортирующая способность потока определяется по выражению:

р. —ЧЧ 1 •

1 I {т _ 1 )

Рт

где рж, рТ — соответственно, плотность транспортирующей жидкости и

транспортирующего твердого, кг/м3; 1 — уклон подошвы в очистной камере, ед; /ж, /т — соответственно, коэффициент трения жидкости и твердого о подошву очистной камеры, ед.

Факторы, влияющие на эффективность пульпоприготовления и всасывания

Процессы всасывания и пульпо-приготовления являются связующим звеном самотечного гидротранспорта по подошве очистной камеры и гид-роподьема.

В целом возможности всасывания в значительной степени зависят от эффективности процесса пульпопри-готовления и связаны с:

• горно-геологическими факторами (плотностью руды, формой кусков и способностью их к дезинтеграции);

• конструктивными факторами (параметрами зумпфа очистной камеры и формой всасывающих окон);

• технологическими факторами (свободным всасыванием «из-под слоя» продуктивных песков с дополнительным подпором воды при сква-жинной гидродобыче в затопленных очистных камерах).

Кроме того, процессы пульпопри-готовления и всасывания зависят от:

• способа подъема (эрлифтного, гидроэлеваторного или за счет создания в очистной камере избыточного давления);

• схемы отработки при секторном размыве;

• способа гидротранспортирования по подошве очистной камеры (самотеком или принудительно струей воды гидромонитора).

Технологически при скважинной гидротехнологии необходимо иметь два гидромонитора: первый — в очистной камере, второй (нижний) — для осуществления процесса гидровзвешивания в плоскости всасывания гидродобычного агрегата.

Темп падения скорости по длине затопленной гидромониторной струи определяется по следующему уравнению:

1

V ср 0-

И„| 1 + 0,345 -1-

где И3 — коэффициент запаса скорости всасывания (И = 4,82); ц0 — начальная скорость истечения струи, м/с; 10 — диаметр насадки, мм; 1 —

длина затопленной гидромониторной струи, м.

Максимальная крупность твердого,

взвешиваемого струей Ц 2

1 = ■

V „

4 рт-р0 . 5.

3 р„ ^

0

соответственно, плот-

где Рт, ро ность твердого и воды, кг/м3; у — коэффициент лобового сопротивления (^ = 0,44).

Скорость всасывания с учетом заданной консистенции гидросмеси

V = (1 - 5)2,39 • V ,

вс * ' ср '

где 5 — объемная консистенция гидросмеси.

Производительность гидродобычного агрегата по твердому при всасывании

0 = 5 •V • И • 0,785 • О2 ,

т вс н ' вс '

где Овс — диаметр всасывающей трубы, мм; Ин — коэффициент надежности при всасывании (Ин =3,0)

Факторы, влияющие на эффективность гидроподъема.

Гидроподъем является одним из основных процессов, определяющих эффективность всей технологии. При этом используются гидроэлеваторный, эрлифтный подъем и их комбинация.

Глубина залегания промышленного пласта определяет тип и конструкцию горно-разведочного оборудования и влияет на экономическую эффективность этого способа. Гидроэлеваторный подъем обычно ограничивается глубинами 90—100 м, эрлифтный — используют, как правило, при затопленных очистных камерах с достаточно значительной глубиной разработки — 300 и более метров. Необходимость применения СГТ на больших глубинах может диктоваться дефицитом полезного ископаемого особого качества.

В целом, факторами, влияющими на производительность гидроподъема, являются:

Горно-геологические (глубина отработки, плотность руды, наличие во-допритоков).

Конструктивные:

• тип гидроэлеватора (кольцевой, центральный, комбинированный);

• тип эрлифта (нагнетательный, всасывающий).

Технологические (взаимосвязь со смежными технологическими процессами — всасыванием и поверхностным гидротранспортом).

Как правило, при расчете гидроэлеваторного подъема заданными величинами являются: расходно-напор-ные параметры водяного насоса (напор Н0 и расход ф0) и необходимая величина высоты подъема Н2. Расчетной величиной является производительность гидроэлеватора по эжекти-рованию

При отработке участков погребенных морских месторождений со сложным донным рельефом, а также необходимости извлечения значительного объема горной массы при больших глубинах залегания продуктивных песков используется эрлифт-ный гидроподъем. Расходно-напор-ные характеристики эрлифтного гид-

роподъема представляют собой неравнобочные перевернутые параболы с характерными точками: область барботажного режима работы (трех-разная смесь заполнила весь объем подъемного трубопровода эрлифта, но излив отсутствует), оптимального — (максимального КПД) и максимального (максимальной производительности).

Необходимость отработки глубоко-залегающих погребенных месторождений, а также участков с содержанием полезных компонентов с относительно большой объемной массой (где основные потери напора приходятся на поддержание твердого во взвеси и на трение) требует оценки энергетического баланса гидроподъема на основе истинной гидродинамической ситуации по эксплуатационной скважине, а не по расходным технологическим показателям потока на выходе:

• истинной концентрации воздуха в нагнетательной линии эрлифта

(х)

( Sr

• истинои концентрации твердого материала

1

Qn - Ur

Q )

1,2 \Qx + Vr (x)) + Q 2

• истиной концентрации жидкости (воды)

(5Ж) „ = 1 -[() й + (5Г) и ],

где (5г)и, (5гв)и, (5Ж)^ — соответственно истинные концентрации газа, твердого и жидкости; фтв, фП, Vг(X) — соответственно производительность эрлифта по твердому, гидросмеси и потребный расход газа, м/с; ювс — площадь поперечного сечения всасывающей линии, м2; фж — производительность эрлифта по жидкости (воде), м3/с; ф2 — расход нисходящего потока в эрлифте, м3/с

(О2 = 0,35-\fg~-~D -ш); О — диаметр эрлифтной трубы, м; ю — площадь поперечного сечения эрлифтной трубы, м2); ист — гидравлическая крупность твердого при стесненном движении, м/с. гтттт?

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Дробаденко Валерий Павлович — профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, проректор по учебноИ работе, заведующий кафедроИ, e-mail: drobatenko@mail.ru, Малухин Николай Григорьевич — профессор, доктор технических наук, заведующий кафедроИ,

Вильмис Александр Леонидович — старшиИ научныИ сотрудник, РоссиИскиИ государственныИ геологоразведочныИ университет.

ИЗ ИСТОРИИ ГОРНОГО ДЕЛА -

Егор Францевич Канкрин, сын Франца Ивановича Канкрина, члена Бергколлегии (1796—1807), много сделал для становления промышленности в России, в частности, горного дела. Он стал автором трех проектов ликвидации крепостного права за несколько лет до П.Д. Кисилева, занимался горным образованием, организацией книгоиздания и промышленных выставок. Первая из них была открыта в Петербурге в 1829 г. в специально построенном для нее здании.