CC BY
20
УДК 622.232.8 П.Д. Гостюхин
РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННОГО ГИДРОДОБЫЧНОГО АГРЕГАТА
Семинар № 18
Разработка эффективных конструкций устройств и технологических режимов их работы по разрушению богатых железных руд в очистной камере добычной скважины и подъему их на поверхность было одним из главных направлений опытно-исследовательских работ, выполненных ООО «НИИКМА-Гидроруда» в 2004-2005гг.
В гидродобычном комплексе-модуле СГД богатых железных руд (для условий Белгородского рудного района КМА) реализация основных задач технологического процесса -дезагрегацию руды (разрушение руды в массиве), транспортирование обрушенной рудной массы к подъемному устройству, образование гидросмеси и подъем её на поверхность - обеспечивается в гидродобычном агрегате (ГДА), включающего в свой состав напорную и пульпоподъемную колонны, гидро добычной снаряд (ГДС), устьевой оголовок. По напорной колонне (НК) рабочий агент (вода или ГЖС) подается на ГДС, работающий в очистной выработке, по пульпоподъемной колонне (ППК) продукт СГД в виде пульпы поднимается на поверхность, устьевой оголовок обеспечивает монтаж ГДА на устье, подачу воздуха в ГДА, отвод пульпы, перемещение напорной колонны и ГДС в процессе СГД по оси очистной выработки.
Разрушение руд в массиве в
околоскважинном пространстве осуществляется гидромониторной струей воды или водовоздушной смеси, истекающей с большой скоростью из сопла монитора гидродобычного снаряда (ГДС), работающего в очистной выработке (камере) добычной скважины. Такой способ наиболее управляем, соответствует требованиям принятой системы разработки и экономически эффективен.
Комплекс стендовых испытаний, выполненных для технических средств и материалов, эквивалентных по физико-механическим свойствам естественным богатым железным рудам, позволил существенно уточнить представления об эффективности и технологических особенностях процессов размыва руд в затопленной камере. Это, в свою очередь, позволило определиться с идеологией и конструкцией гидродобычных снарядов, а также с конструктивными особенностями гидродобычных агрегатов и необходимыми характеристиками энергетического оборудования для реализации процессов СГД.
Разработанный предприятием технологический регламент СГД богатых железных руд ориентирован на достижение средней производительности добычной скважины порядка 25 т/час. В соответствии с установленными в результате опытно-исследо-
вательских работ и стендовых испытаний закономерными зависимостями производительности на размыве от динамического давления струи, выполнены расчеты параметров, отвечающих предъявляемым требованиям, для различных по прочности руд и различного гидромониторного вооружения снарядов. Достаточную производительность могут обеспечить работающие на отбойке насадки диаметром 20-25 мм в различных сочетаниях с забойными насадками диаметром 15-20 мм при подачах рабочего агента на мониторы 70-85 л/сек.
Как показали стендовые испытания, использование для СГД богатых железных руд снарядов типа ГАР -21 с соответствующими конструктивными решениями обеспечивает выполнение всех основных технологических операций в очистной выемке: формирование подсечных полостей в рудах; отбойку руд; доставку отбитой рудной массы к забою очистной выемки добычной скважины - в зону пульпоприготовления; вторичное дробление руды на забое очистной выемки; пульпоприготовление и доставку водно-рудной смеси к пульпоприемному отверстию пульпоподъемной колонны. При этом управление основными манипуляциями ГДС и регулирование режима его работы осуществляется с поверхности с использованием приборного контроля.
Таким образом, при решении задачи расчета конструкции гидродобычного агрегата (ГДА) необходимо, прежде всего, обеспечить возможность беспрепятственного спуска в скважину гидродобычного снаряда (ГДС), имеющего определенные габаритные размеры, обусловленные технологическими требованиями и конструктивными решениями, а также подачу на ГДС рабочего агента в ко-
личестве, достаточном для эффективного ведения очистных работ, т.е. обеспечить требуемую скорость мо-ниторной струи на отбойке, приведение отбойного монитора в рабочее положение, вращение ГДС вокруг вертикальной оси с требуемой частотой.
Подъем рудной пульпы осуществляется по пульпоподъемной колонне гидродобычного агрегата с использованием эрлифта, что обусловлено несколькими факторами.
Во-первых, рудный массив имеет достаточно высокую водопроницаемость, вследствие чего возможны как притоки пластовой воды в скважину в процессе СГД, так и поглощения рабочего агента в пласт при гидродинамическом давлении столба пульпы, превышающем пластовое, что недопустимо по условию использования вод рудного горизонта как основного рабочего агента. При расчете эр-лифтного подъема должна обеспечиваться такая плотность гидросмеси в ППК (менее 1000 кГ/м ), чтобы обеспечить условия для притока пластовой воды в скважину.
Во-вторых, плотность рудного материала в пульпе очень высокая (5,2 кГ/см3), следовательно, гидравлическая крупность частиц руды значительная, и требуется обеспечить высокие скорости движения гидросмеси на всасе пульпоподъемной колонны и по всей ее длине, что возможно либо путем увеличения расхода воды, что влечет за собой значительные энергозатраты в связи с применением на подаче мощных насосов, либо добавлением в состав гидросмеси воздуха.
В третьих, наличие воздуха в зоне пульпоприготовления улучшает условия пульпообразования и подъема пульпы к всасывающим отверстиям ППК.
Учитывая значительную глубину очистных работ (до 800 м), предусматривается двухступенчатый эр-лифтный подъем, при этом на первую ступень воздух подается в ППК на максимально возможную по конструктивным параметрам скважины глубину, вторая ступень - на всасе ГДА. В зависимости от качества пульпы и выполняемых операций по очистным работам наличие двухступенчатого эрлифта позволяет применить наиболее оптимальную схему подачи воздуха на ГДА.
Общее количество воздуха, подаваемого на гидродобычной агрегат, рассчитывается из условия обеспечения водопритока из пласта и требуемой скорости движения гидросмеси вверх.
При расчете режима подъема гидросмеси необходимо также учитывать крупность рудного материала, предельные размеры которого определяются конструктивными параметрами ГДА в части каналов для прохода пульпы из условия, принятого в горной практике, что размер куска должен быть не более 1/3 меньшего поперечного размера канала.
Алгоритм расчета основных конструктивных параметров и технологических режимов работы ГДА строится по следующей схеме: по габаритам ГДС (максимальный поперечный размер конструкции в плане) подбираются (из стандартного сортамента) трубы для ППК; соответственно подбираются трубы для напорной колонны (из условий минимизации гидравлических сопротивлений при подаче рабочего агента на ГДС и обеспечения прохода пульпы по кольцевому межтрубно-му зазору); подобранная предварительно конструкция ГДА просчитывается по комплексу параметров и по результатам расчетов делается окончательный выбор конструкции ГДА.
Критерий выбора конструктивных параметров ГДА и расчета режима его работы - рациональность и сбалансированность технологической системы, обеспечивающей передачу на ГДС требуемой гидравлической мощности для ведения очистных работ с заданной производительностью, подъем рудного материала определенной крупности в виде гидросмеси с забоя очистной выемки, положительный баланс по воде в системе пласт-скважина.
Для решения практической задачи расчета и оптимизации ГДА разработан компьютерный модуль, который состоит из блока исходных данных, блока расчетов и блока результирующих показателей. Данные и расчеты в блоках связаны между собой соответствующими ссылками.
В блок исходных данных заносятся конструктивные параметры ГДА и параметры технологического режима.
В расчетном блоке автоматически, по введенным алгоритмам и формулам, по исходным данным выполняются последовательно и взаимосвязанно:
■ Г идравлические расчеты напорных параметров ГДА и режима работы ГДС по критерию сбалансированности напорной части ГДА в пределах значений, удовлетворяющих, с одной стороны, условиям эффективной работы ГДС на отбойке руды, с другой - рациональности решений по металлоемкости конструкции ГДА и мощности выбранного технологического оборудования;
■ Расчет параметров режима подъема рудной пульпы определенного состава и консистенции как трехкомпонентной (вода - воздух - руда) смеси. Цель расчета - определить условия выноса руды определенной для
данной системы гидравлической крупности;
■ Расчет параметров системы «ГДА - скважина - пласт» с целью сбалансировать конструктивные параметры ГДА и технологический режим его работы по условию удовлетворения всем требованиям технологического процесса СГД.
Блок результирующих показателей, отображающий автоматически результаты расчетов, позволяет оценивать эффективность конструктивных и технологических параметров ГДА по заданным условиям.
Рациональная схема и автоматизация расчетов, используемые в электронном модуле, позволяют не только
1. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. Учебное пособие. М. Издательство Московского государственного горного университета, 2001, с. 656.
2. Бабичев Н.И., Абрамов Г.Ю., Малу-хин Н.Г., Болаев В.А. и др. Методические рекомендации по отработке Шемраевского месторождения богатых железных руд способом СГД. Фонды ДПР по Белгородской области, МГРИ, М, 1989, с.46.
3. Гостюхин П.Д., Болотов В.А., Росляков О.А. Технологический комплекс для
рассчитать, но и оптимизировать параметры конструкции ГДА и технологического процесса для заданных условий по результирующим показателям. В сочетании с системой сбора и обработки результатов измерений параметров технологических процессов модуль позволяет решать задачи прогнозирования хода и развития очистных работ в камере, что является основой автоматизированного управления гидродобычными работами.
Технология построения модуля основана на использовании известных методов решения задач гидравлики, эрлифтных систем, гидрогеологии и возможностей программы Microsoft Office Excel 2003.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
скважинной гидродобычи глубокозалегаю-щих месторождений богатых железных руд. Г орный информационно-аналитический бюллетень, № 7, М., изд-во МГГУ, 2003, с. 206-209.
4. Лобанов Д.П., Смолдырев А.Е. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ. М., «Недра», 1974, с. 296.
5. Мищевич В.И., Сидоров Н.А. Справочник инженера по бурению. - М.: Недра, 1973, с. 520.
— Коротко об авторах---------------------------------
Гостюхин Павел Дмитриевич - ООО "НИИКМА-Гидроруда", директор.
