Расчет эрлифта при скважинной гидродобыче полезных ископаемых Текст научной статьи по специальности «Физика»

© М.А. Перфильева, A.C. Хрулсв, 2014

УДК 622.227:622.232.5

М.А. Перфильева, А.С. Хрулев

РАСЧЕТ ЭРЛИФТА ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Проведен сравнительный анализ параметров эрлифтного подъема полученных экспериментальным путем, расчетами по формуле Гейера, по балансу энергий и полученной эмпирической зависимости

Ключевые слова: скважинная гидродобыча полезных ископаемых, эрлифтный подъем.

Одним из основных процессов скважинной гидродобычи является эрлифтный подъем гидросмеси полезного ископаемого по скважине. При расчете эрлифтного подъема наиболее часто применяют формулу В.Г. Гейера для определения необходимого расхода воздуха для подъема гидросмеси.

П • Н -у'

(1)

Q =■

23 • n

, / h lg( lö

м3/ч

1)

При этом диаметр эрлифтной трубы выбирается по формуле включающей производительность и коэффициент затопления эрлифта. П

D = (—^ У

э k • а

0,4

см

Рис. 1. Зависимость производительности эрлифтного подъема от расхода воздуха, по опытным данным (1) и рассчитанная по формуле В.Г. Гейера (2)

(2)

При скважинной гидродобыче параметры подъема не совпадают с параметрами, для которых получены формулы В.Г. Гейера, особенно по коэффициенту затопления (у В.Г. Гейера а = 0,1—0,4), поэтому используемые в формуле опытные коэффициенты не применимы в расчете. По формуле (1) с ростом расхода воздуха линейно возрастает производительность эрлифтного подъема Пэ, что не соответствует характеристике эрлифта, согласно которой эта зависимость имеет максимум и параболический вид (рис. 1). По формуле (2) производительность подъема пропорциональна диаметру эрлифта в степени 2,5, что не согласуется с результатами большого количества испытаний различных по конструкции скважинных эр-лифтных снарядов.

Рис. 2. Схема эрлифтного снаряда, используемая при расчете параметров подъема

Расход воздуха, м3/ч Рис. 3. Изменение энергии вне и внутри эрлифта от расхода воздуха: Юэ = 0,15 м, Нв = 9 м, Нэ = 11,25 м [3]

В данной работе сопоставлялись характеристики и параметры эрлифтного подъема, полученные на основе большого количества экспериментальных и опытных данных как в ходе стендовых исследований, так и при скважинной гидродобыче фосфоритовых, строительных, золотосодержащих песков с расчетными значениями параметров эрлифтного подъема.

Расчет параметров эрлифтного подъема по балансу энергии вне и внутри эрлифта позволяет учесть конструктивные особенности эрлифтного снаряда и условия подъема (рис. 2). Потенциальная энергия, определяемая уровнем воды вне эрлифта, равна кинетической и потенциальной энергии внутри эрлифта с учетом потерь на трение, при этом, с ростом расхода воздуха, снижается потенциальная энергия внутри эрлифта, и растут кинетическая энергия и потери энергии связанные с гидравлическим сопротивлением (рис. 3)

Е = Е + Е + Е (3)

вн п к г.п. V"-'/

Величина потенциальной энергии внутри эрлифта до подачи воздуха равна п-

Евн = тдЬ = 9,81..

4

•Гв

- Ь

(4)

где Оэ — диаметр эрлифтной трубы; ув — плотность воды; Ь — высота воды от уровня всаса вне эрлифта.

При подъеме гидросмеси величина кинетической энергии внутри эрлифта равна сумме затрат кинетической энергии во всасывающем наконечнике (до воздушной форсунки) (Е^) и кинетической энергии выше воздушной форсунки (Ефк)

к к

т тф - И2 2

Е„ = Е!с + Еф = вс_' вс + —ф—ф (5)

п-ив2с .

где твс _ —' ' — масса гидросмеси во всасывающем наконечнике;

йвс — диаметр всасывающего наконечника; Ьвс — расстояние от всаса эрлифта до воздушной форсунки; уп — плотность гидросмеси во всасывающем наконечнике.

4 - Пэ

п- й2 - 3600

вс

наконечнике до воздушной форсунки

4

— диаметр всасывающего наконечника; Ьф — расстояние от воздушной форсунки до уровня воды вне эрлифта; Н— высота подъема от уровня воды;

П -у

_ _э ' п_

/ э _ п + О к — плотность гидросмеси выше воздушной форсунки.

Пэ + Овз - ксж

^вс _-—2—,м/с — скорость движения гидросмеси во всасывающем

Шф _ ——— - (Ьф + Н) - уэ — масса гидросмеси выше воздушной форсунки; йэ

/вз — расход воздуха, м3/час;

/ 1 , 10 ^

ксж _ ^ - (1о—Ь—+ 1) — коэффициент сжимаемости воздуха от давления воды над уровнем воздушной форсунки. Г/ 4 - (Пэ + О, - ксж) /

^ф _-—2— —,м/с— скорость движения гидросмеси выше воз-

п - йф- 3600

душной форсунки.

Величина потенциальной энергии внутри эрлифта (Еп) при подъеме гидросмеси также складывается из потенциальной энергии до ( Евпс ) и после ( Е пф ) воздушной форсунки

Е _ Евс + Еф _ т - д - Ь + тф - д - (Ь, + Н) (6)

п п п вс ^ вс ф ^ 4 ф '

Потери энергии, связанные с гидравлическим сопротивлением при движении гидросмеси внутри эрлифта ( Ег.п. )складываются из сопротивления на участке ниже (Евс ) и выше (Ефп ) воздушной форсунки.

Е _ Евс + Еф _ т - д - Ьвс + тф - д - Ьф (7)

г.п. г.п. г.п. вс т.п. ф г.п. V/

ивс _ ^ ^вс Ьвс ^п „ _ „ ,

где Ьгп _—--—-,м.в.с.— гидравлические потери до воздушной фор-

2 - а- и

вс

сунки;

л. -■

(1,74 + 2 • 1д(

500РВС сТ

— коэффициент гидравлического сопротивления до форсунки; в = 0,2 — размер шероховатости трубы.

АФ,=

л 1/ф • Л + Н) •у,

2 • д • оз

,м.в.с.

Рис. 4. Зависимость производительности эрлифт-ного подъема (уп = 1) от диаметра эрлифтной трубы при а = 0,6 для расхода воздуха 600 м3/час (1) и 1200 м3/час (2)

— гидравлические потери после воздушной форсунки;

к = 1 ф" 500П

(1,74 + 2 • 1д(—0—Ч)2 а

— коэффициент гидравлического сопротивления после форсунки.

При проведении работ по скважинной гидродобыче фосфоритов на Кингисеппском месторождении были испытаны различные конструкции эрлифтных снарядов с диаметром пульпоподьемной (эрлифтной) трубы 114, 168, 219 мм с внешним расположением водоподающей и воздухоподаю-щей колонны и диаметром 245, 273, 324 мм с внутренним расположением подающих колонн. На рис. 4 показана зависимость производительности эрлифт-ного подьема от диаметра эрлифтной трубы для расхода воздуха 600 и 1200 м3/час и коэффициента затопления эрлифта а = 0,6, рассчитанная по балансу энергии.

Увеличить производительность подъема можно увеличением диаметра эрлифта, однако при скважинной гидродобыче это связано с увеличением диаметра скважины, что ведет к росту затрат на бурение и добычу полезных ископаемых.

Кроме расхода воздуха и диаметра эрлифтной трубы на производительность эрлифтного подьема в большой степени влияет коэффициент затопления эрлифта

а = (8)

Л + Н

Для конструкции эрлифта с длинным всасывающим наконечником (с большим расстоянием от всаса до воздушной форсунки) формула для определения коэффициента затопления эрлифта примет вид:

(4 + лф) •Гв - Л •Уп

а =

Гв • (Лф + Н

2

Рис. 5. Зависимость производительности эрлифтно-го подъема от величины коэффициента затопления при Qвз = 600 м3/час.

250

200

о 7

ъ 6

5 150

с £

£ юо

х л с

а с

50

■V / а = 0,8 —к—Данные эксперт ента ■■■•■■• Расчет

» по формуле

а=0г& —■— Расчет по

балансу энергий

Их* а=0,325

200

400

1200

ООО 800 1000 Расход воздуха, м3/час Рис. 6. Опытные значения характеристик эрлифта для различных значений коэффициента затопления, полученные опытным путем, рассчитанные по балансу энергий и по полученной эмпирической зависимости

На рис. 5 показаны зависимости производительности эрлифтного подъема от величины коэффициента затопления.

Таким образом, обеспечить требуемую производительность подъема можно изменяя расход воздуха, диаметр эрлифтной трубы и коэффициент затопления эрлифта, в тех случаях, когда размыв ведется в породах с низкой проницаемостью, как например, в мно-голетнемерзлых песчаных породах.

Для упрошенной конструкции эрлифтного снаряда с коротким всасываю-шим наконечником и длиной от 20 до 100 м, диаметром эрлифтной трубы от 0,1 до 0,3 м, при коэффициенте затопления эрлифта а от 0,3 до 0,8 и расходе воздуха от 200 до 1500 м3/час на основании обработки экспериментальных данных получена сле-дуюшая эмпирическая зависимость:

У = 7О°,25 -0,5)х Г?

10-4

х(02 - ^О- • 02), <3/о

На рис. 6 показаны значения характеристик эрлифта для различных значений коэффициента затопления, полученные опытным путем, рассчитанные по балансу энергий и по полученной эмпирической зависимости (10). В указанном диапазоне параметров эрлифтного подъема отклонение значений производительности, полученной экспериментальным и расчетным путем, не превышает 15 %, что позволяет использовать формулу (10) в инженерных расчетах.

Выводы

Для условий скважинной гидродобычи может быть рекомендован расчет параметров эрлифтного подьема основанный на балансе энергий вне и внутри эрлифтного снаряда.

Полученная эмпирическая зависимость для конструкции эрлифта с коротким всасывающим наконечником позволяет упростить расчет параметров эр-лифтного подьема и получить результаты, приближенные к опытным значениям и расчету параметров по балансу энергий.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гейер В.Г. Эрлифтный гидроподъем гидрошахты «Красноармейская», № 2. - Реф. сб. ЦНИИТЭУгля. Гидравлическая добыча угля. М., Недра, 1968.

2. Гейер В.Г. Новые технологические схемы и средства шахтного водоотлива. - Труды Донецкого политехнического института, Донецк, 1972. с. 20-23.

3. В.Ж. Арене, Шпак Д.Н., Исмагилов Б.В. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М., Недра, 1980. н'.ца

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Хрулев Александр Сергеевич - доктор технических наук, член-кор. РАЕН, начальник отдела проектирования подземных хранилищ в многолетнемерзлых породах, Перфильева Маргарита Александровна - технолог, Подземгазпром,

А

UDC 622.227:622.232.5

AIRLIFT CALCULATION FOR HYDRAULIC BOREHOLE MINERAL MINING

Khrulev A.S., Doctor of Technical Sciences, Professor,

Perfileva M.A., Process engineer

Podzemgazprom

The authors analyze and compare airlift parameters that have been obtained experimentally, calculated using Geier's formula for energy balance, and derived from an empirical relation.

The airlift characteristics and parameters compared in the articles have been obtained from ample experimental testing both in the laboratory conditions and in afield hydraulic borehole mining of phosphate, motor and gold sands. The calculation of airlift parameters by balance energy inside and outside the airlift allows considering the airlift tool design features and the airlift conditions. The derived empirical relation for the airlift with a short suction nose-piece simplifies the airlift calculation and yields the results that are close to the experimental airlift parameters and the airlift calculations by energy balance.

Key words: hydraulic borehole mineral mining, airlift.

REFERENCES

1. Geier V.G. Airlift in Krasnoarmeiskaya Hydraulic Mine. In: Hydraulic Coal Mining. Moscow: Nedra, 1968.

2. Geier V.G. New Flowsheets and Methods of Ming Water Discharge: Transactions of the Donetsk Polytechnic Institute. Donetsk, 1972. pp. 20-23.

3. Arens V.Zh., Shpak D.N., Ismagilov B.V. Hydraulic Borehole Hard Mineral Mining. Moscow: Nedra, 1980.