CC BY
52
© П.А. Гостюхин, В.А. Болотов, О.А. Росляков, 2003
УАК 532.542.7
П.А. Гостюхин, В.А. Болотов, O.A. Росляков
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС АЛЯ СКВАЖИННОЙ ГИАРОАОБЫЧИ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮШИХ МЕСТОРОЖАЕНИЙ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУА
Развивающаяся технология скважинной гидродобычи (СГД) богатых железных руд КМА требует все более конкретных и рациональных решений по всем вопросам, непосредственно связанным с внедрением технологии в практику. Это тем более актуально с точки зрения инвестиционных проектов, требующих конкретные технически и экономически обоснованные предложения. В ряду разрабатываемых учеными и специалистами вопросов по проблеме СГД далеко не второстепенное место занимает вопрос определения рационального состава и структуры гидродобычного комплекса СГД, возможности экономической оценки гидродобычного производства по каждой его составляющей и для разной мощности предприятия.
1. Состав и структура гидродобычного комплекса (ГДК)
1.1. Условия и общие принципы организации гидродобычного производства
В общем виде в структуре предприятия скважинной гидродобычи могут быть все производственные единицы (объекты рудника) [1, 2], присущие практически любому традиционному горнодобывающему предприятию и обеспечивающие полный цикл производства товарной продукции: эксплуатационная разведка месторождения в контуре горного отвода -вскрытие разведанного участка месторождения -подготовка продуктивного горизонта к очистным работам - очистные работы - транспортирование рудной массы - сортировка - обогащение - складирование и отгрузка готовой продукции.
Однако специфика технологии СГД обуславливает нетрадиционные условия организации производства собственно добычного процесса, основные из которых - объединение нескольких звеньев производственного цикла в одном технологическом узле и более жесткая технологическая связь между звеньями всего производства.
При СГД такие элементы производственного цикла, как вскрытие руд, их подготовка к выемке, отбойка, транспортировка на поверхность - реализуются в добычной скважине [1, 2, 3]. В свою очередь, добычная скважина технологически жестко связана с системой транспортирования рудной массы (в виде пульпы) - пульпопроводом и, посредством последнего, с рудоприемным хозяйством. Рабочие агенты (вода, сжатый воздух) от энергоблока подаются также непосредственно в добычную скважину.
Управление технологическим процессом СГД основано на определенной информации, получаемой в
виде технологических и иных показателей, главными из которых является дебит скважины, плотность и состав рудной пульпы, поступающей из добычной скважины. В этой связи управляющая система должна обеспечивать оперативное измерение основных параметров технологического процесса по каждой добычной скважине, в том числе и на рудоприемке, чтобы обеспечить оперативное регулирование работ в зоне очистной выработки путем регулирования подачи рабочих агентов в добычную скважину, и перемещением гидродобычных снарядов (ГДС) в зоне очистных работ.
Учитывая, что рудная масса поступает в рудоприемный узел в виде пульпы, обогатительное производство горнодобычного предприятия СГД, во избежание нерациональных затрат на подачу руды в обогатительные устройства также должна устраиваться в тесной технологической связи с процессом гидродобычи, однако может работать и независимо от него.
Эф ф ективное управление добычными работами на месторождении (участке месторождения) и безопасное их производство невозможно без оценки состояния и развития выработанного пространства, и горного массива (в районе ведения добычных работ). На современном уровне технологии эта задача может решаться специальными (геофизическими) методами через сеть наблюдательных скважин, расположенных непосредственно в районе ведения добычных работ [4].
Оперативное регулирование запасов (эксплуатационная разведка), поддержание добычных мощностей (сооружение новых добычных скважин взамен отработанных), прочие сопутствующие и вспомогательные работы непосредственно с технологическим процессом добычи не связаны.
На основании изложенного в составе предприятия скважинной гидродобычи можно, в принципе, выделить пять производств: подготовительное, добычное, обогатительное, складское и вспомогательное.
В настоящей работе рассматривается состав, структура и особенности эксплуатации собственно гидродобычного комплекса.
1.2. Факторы, определяющие состав и структуру гидродобычного комплекса
Главными факторами, определяющими состав и структуру ГДК, является (по крайней мере, на настоящем этапе развития технологии) принятая предприятием система разработки месторождения и технология очистных работ в добычной скважине, которая в свою очередь зависит от применяемых технических средств и способов разрушения руды, приготовления рудной пульпы и подъема ее на поверхность.
Выбор систем разработки - особо важный и отдельный вопрос. Здесь только необходимо подчеркнуть, что основным технологическим элементом собственно гидродобычного процесса для любой
системы является добычная скважина (скважины) и, соответственно, технология очистных работ [5].
Опыт работы на Шемраевском месторождении показывает, что при любой принятой системе разработки очистные работы в каждой добычной скважине будут вестись по индивидуальному «сценарию» и, следовательно, необходимо иметь возможность индивидуального управляющего воздействия на технологический процесс в очистном пространстве каждой скважины. Другими словами, для добычной скважины необходимы "своя" энергетическая система (насосы, компрессоры, напорные магистрали), "свой" пульпровод и, возможно, даже "свой" рудо-накопитель.
Таким образом, гидродобычной комплекс представляется как "добычной модуль" с определенной предельной для данных условий производительностью (мощностью), а гидродобычные работы на месторождении могут вестись одним или несколькими комплексами-модулями в соответствии с производственной программой предприятия, и с учетом особенностей месторождения. Соответственно, наращивание мощности предприятия может осуществляться также по модульному принципу.
Основой эффективности работы ГДК и главным условием для определения его состава является технология очистных работ в добычных скважинах. Надо сказать, что до настоящего времени эффективные средства и способы для обеспечения управляемой технологии очистных работ при СГД богатых железных руд КМА не разработаны. В публикациях на эту тему имеются лишь самые общие предложения. Возможно, предполагается, что это как бы практически решенный или не представляющий большой сложности вопрос. Однако авторы настоящей работы утверждают, что, эффективных решений по существу вопроса в настоящее время нет, и именно отсутствие технологических решений на ведение очистных работ тормозит практическое внедрение технологии, и, в том числе, не позволяет в полной мере определить рациональный состав ГДК. Тем не менее, по результатам научно-исследовательских и опытных работ, проведенных на Шемраевском месторождении, можно сделать определенные выводы по основным параметрам ГДК.
3. Оборудование ГДК
3.1. Подземное оборудование
В состав подземного оборудования входит, прежде всего, гидродобычной агрегат (ГДА) и его главная часть, работающая в очистной выемке - гидродобычной снаряд (ГДС). Его задача: обеспечить создание очистной камеры, условия для подсечки в добычном блоке, подготовить пульпу, обеспечить ее всасывание и начало подъема на поверхность. Многофункциональность этого оборудования, работа в условиях обрушений, отсутствие возможности визуально наблюдать и непосредственно управлять им, определяют задачу по разработке конструкции ГДС как весьма сложную, и первостепенную. Поскольку гидродобычные снаряды и устройства - это отдельная тема, здесь они не рассматриваются.
Представляется очевидным, что при любых способах воздействия на рудный пласт с целью его ра-
зупрочнения, превращения в псевдоплывунное или плывунное состояние останется необходимость гидромониторного разрушения стенок очистного пространства и пульпоприготовления. Согласно расчетам [3, 6], для обеспечения необходимой разрушающей силы струи скорость ее истечения из сопла монитора должна быть в пределах 60-120 м/с при соответствующей массе, что обеспечивается подачей жидкости на ГДС в количестве не менее 50 л/с. С учетом этого обстоятельства определяются основные параметры ГДА: напорная колонна диаметром 114 мм, максимальное давление напора при расходе 50 л/с - до 20 МПа (для разных насадок монитора), удельная сила удара струи может достигать 7 МПа; пульпоподъемная колонна диаметром 273 мм. Общая масса ГДА достигает 60 т.
Колонны ГДА опускаются в скважину последовательно и концентрично, и подвешиваются: пульпоподъемная - на скважинном оголовке-превенторе специально разработанной для условий СГД конструкции, напорная - на крюке добычной установки или на клиновом захвате типа ПКРО-560. При этом напорная колонна соединяется через сальник-вертлюг и гибкий напорный рукав с манифольдом добычной установки.
Такая схема позволяет перемещать напорную колонну и ГДС внутри пульпоподъемной колонны и вдоль оси скважины с помощью талевой системы в диапазоне до 25 метров без прекращения подачи рабочих агентов в очистное пространство.
Для обеспечения эффективного всасывания пульпы на забое очистной выемки и подъема ее на поверхность по колонне пульпоподъемных труб в ГДА предусматривается двухступенчатый эрлифт. Такое решение обосновано в ранее выполненных работах и апробировано в практике опытных работ на Шемраевском месторождении. Основные параметры эрлифта: глубина установки смесителя второй ступени (в трубах пульпоподъемной колонны) ограничивается глубиной установки башмака технической (эксплуатационной) колонны, и для добычных скважин, глубиной 750-800 м, составляет 430-450 м.
Для эффективной работы эрлифта, а также для создания напорного градиента в очистной выемке на границе пласт-скважина - с целью создания условий для сдвижения и выноса руд - на забой очистной выемки через гидромонитор или по другой возможной схеме необходимо подавать воздух в количестве 20-25 м3/мин при давлении, соответствующем давлению подачи жидкости в напорную колонну (до 1520 МПа), на смеситель второй ступени подается воздух в количестве не менее 25 м3/мин при давлении до 4,5 МПа. При таких значениях параметров технологического процесса возможно достижение производительности добычи из одной скважины по пульпе до 250 м3/ч, что, во-первых, обеспечивает скорость восходящей струи на всасе ГДА 3,4 м/с и, во-вторых, при плотности пульпы на уровне 1100 кг/м3 и плотности вещества (мартитовая руда) - 4500 кг/м3 обеспечивает техническую производительность ГДК по твердому на уровне 30 т/ч.
Необходимо отметить, что принятые технологические параметры, вероятно, нельзя считать опти-
мальными, поскольку известны исследования по гидротранспорту продуктов скважинной гидротехнологии и расчеты, позволяющие определить оптимальные напорно-расходные параметры процессов гидродобычи для конкретных условий [7]. Очевидно, целесообразно выполнить соответствующую работу для условий железорудных месторождений КМА.
2.2. Добычные скважины
Для обеспечения монтажа и работы ГДА с параметрами, указанными в п. 2.1., необходимо бурить добычные скважины с рабочим диаметром не менее 320 мм. При этом диаметр последней колонны (эксплуатационной), устанавливаемой на глубину 450470 м (ниже подошвы известняков), принимается 377 мм. Другие параметры конструкции скважин вытекают из необходимости гидроизоляции вышележащих водоносных горизонтов и закрепления неустойчивых пород осадочного чехла: кондуктор диаметром 630 мм на глубину 90 м, промежуточная колонна диаметром 426 мм на глубину370 м; затруб-ное пространство колонн цементируется.
Чтобы ГДК работал круглосуточно с производи -тельностью 20-25 т/ч (с учетом затрат времени около 20-25% на вспомогательные операции), необходимо в его составе иметь как минимум две добычных скважины и, соответственно, две гидродобычных установки: неизбежны нештатные ситуации в очистной выработке, неизбежны технические осложнения с ГДА или в скважине, на устранение которых требуется значительное время, следовательно, должна быть резервная скважина, всегда готовая к работе. Возможно, это могут быть скважины в другом очистном блоке: в соответствии с технологией ведения работ по принятой системе разработки, но, тем не менее, резервные скважины должны быть. При такой организации годовая производительность ГДК (модуля) может достигать 200-220 тыс.т.
2.3. Гидрдобычная установка (ГДУ)
Для оборудования добычных скважин гидродобычными агрегатами, обеспечения монтажнодемонтажных работ в скважине в процессе очистных работ необходимы установки грузоподъемностью не менее 100 т, позволяющие выполнять не только спуско-подъемные операции, но и обеспечивать подачу рабочих агентов в скважину с одновременным перемещением напорной колонны ГДА, создавать вращение напорной колонны, а также ликвидировать возможные аварии с трубами, снарядами, устройствами и т.п. Таким требованиям соответствуют буровые установки типа БУ-1600, с мощностью привода 325 кВт. Другие типы установок, соответствующей грузоподъемности (УБВ-600, КОРО 1-80) могут использоваться, но они менее эффективны и существенно ухудшают условия труда персонала.
Поскольку ГДА компонуется из труб стандартного нефтяного сортамента, комплектация гидродобычных установок инструментом и принадлежностями принимается стандартная, за исключением устройств для промывочной жидкости.
2.4. Технологическая насосная станция
Для обеспечения требуемых параметров технологического процесса (п. 2.1.) по подаче воды в напорную колонну ГДА наиболее подходят насосы
НБТ-600 Волгоградского завода буровой техники, с плавнорегулируемым приводом мощностью 630 кВт (производительность подачи от 13,2 до 46,69 л/с; давление на выходе от 25,4 до 11,3 МПа соответственно). В составе каждого ГДК необходимо предусматривать резервный насос. Если насосная станция будет обеспечивать несколько гидродобычных комплексов (но по индивидуальным напорным магистралям!), количество резервного оборудования можно сократить до соотношения не менее 25% от работающего). Суммарная приводная мощность насосного оборудования 1890 кВт.
2.5. Технологическая компрессорная станция (КС)
По условиям обеспечения технологического процесса компрессорная станция в своем составе (в расчете на один ГДК) должна иметь два компрессора типа 7ВП-20/220 с рабочим давлением 22,0 МПа и производительностью подачи воздуха 20 м3/мин (компрессоры Краснодарского завода) и два компрессора типа 4ВМ-13/71 с рабочим давлением 7,1 МПа и производительностью подачи воздуха 13 м3/мин (компрессоры Московского завода «Борец»). При этом один компрессор резервный (резерв 25%). Суммарная приводная мощность КС 920 кВт.
2.6. Трубопроводы напорные
Специфика работы ГДК обуславливает необходимость максимальной мобильности оборудования ГДК и в том числе инженерных коммуникаций. С этой целью напорные воздухопроводы рациональнее монтировать из бурильных (СБТ-73) или насоснокомпрессорных (НКТ-73) труб на резьбовых соединениях с применением уплотнителей. Для напорных водопроводов наиболее подходят по проходному сечению и прочности на разрыв бурильные трубы СБТ-127.
Для подвижной части напорной магистрали используются напорные оплеточные рукава 76/27,5.
Формирование в напорной колонне газожидкостной смеси и общее регулирование подачи рабочих агентов от насосной и компрессорной станций на добычную скважину обеспечивается в распределительном узле, представляющем собой комплект обвязки из высоконапорных (>30 МПа) регулируемых, с дистанционным управлением, вентилей (0у=100 мм), задвижек и специальных прочных соединений. Распределительный узел устраивается в «голове» напорной магистрали, к нему сходятся напорные трубопроводы от насосной и компрессорной станций.
2.7. Пульпопровод
В состав пульпопровода входит напорная часть от скважины до воздухоотделителя, воздухоотделитель (конструкции могут быть различными, но должны обеспечивать дегазацию пульпы при производительности процесса гидродобычи до 600 м3/ч: при выбросах дебит скважины может достигать таких значений) и безнапорная часть пульпопровода от воздухоотделителя до рудонакопителя.
К пульпопроводу подключаются технические устройства для грохочения и классификации рудной массы с целью отделения крупной фракции и разделения богатой железной руды на классы для различных потребителей.
Пульпопровод сооружается из стальных сварных (или фланцевых) труб 0=219/245 мм для напорной
части и 0=377 мм - для безнапорной. Монтируется пульпопровод на регулируемых передвижных опорах, что обеспечивает простоту демонтажа и монтажа при перемещении добычной установки (ГДУ) на новую скважину.
2.8. Рудонакопитель
Вопросы рудоприемки и рудоподготовки при СГД имеют самостоятельное значение в ряду вопросов, требующих специальных исследований и отдельной разработки технологии этих процессов. В настоящей работе в рамках поставленной задачи необходимо отметить, как уже говорилось выше, достаточно жесткую технологическую связь рудоприемки с процессом добычи. Учитывая, что наблюдения за ходом работ в очистной выемке ведутся косвенными методами, самая точная информация о составе и количестве рудной массы, поступающей из скважины, может быть получена только из рудонакопителя.
С учетом сказанного для опытного предприятия целесообразно в составе каждого ГДК иметь «свой» рудонакопитель. Конструктивно он может быть выполнен из сборного железобетона, 3-х секционным, объемом 2000-2500 м3 (на количество руды 5000 -6000 тонн). Выгрузка руды может производиться грейферным устройством. Рудонакопитель подобной конструкции в опытном порядке испытывается на Шемраевском месторождении.
4. Основные экономические показатели ГДК
Для предприятия, эксплуатирующего месторождение способом СГД, расчет основных техникоэкономических показателей может производиться по обычной методике. В настоящей статье рассматриваются основные составляющие себестоимости продукции только по ГДК. В расчете принята продуктивность одной добычной скважины на уровне 70 тыс.т. В настоящее время ведутся исследования и теоретические обоснования по системам разработки месторождений богатых железных руд КМА способом СГД. В зависимости от результатов исследований и определится более обоснованная удельная продуктивность каждой выемочной единицы системы.
Стоимость сооружения ГДК (капитальные затраты) по экспертной оценке в текущих ценах определяется в следующих цифрах ($тыс.):
• Гидродобычные скважины (3 скв. - по 70 тыс.т из каждой)
750
ГДА
90
400
340
40
воды)
40
200
(2
ГДУ (2 установки)
НС (3
КС
агрегата)
3400
насоса)
(4 компрессора)
Распределительный узел
Инженерные сети (трубопроводы и пульпопро-
Рудонакопитель
• ИТОГО 5260
Действующие нормы амортизации оборудования ГДК различные: буровое оборудование - 14,3%; компрессорное оборудование - 5%. Считая условия эксплуатации бурового оборудования на ГДК менее интенсивными, чем при бурении скважин, норму амортизации можно уменьшить до 10%, что по результатам опытной эксплуатации выглядит вполне реально.
В расчете на годовую производительность (200 тыс.т) амортизационные расходы по ГДК составят ($тыс.):
АГДК = 750 + 90 . 0,25 + 3400 . 0,1 + 400 . 0,1 +
+340 . 0,05 + + 40 . 0,1 + 40 . 0,1 + 200 . 0,05 = 1187,5 Удельные амортизационные затраты на 1 т:
А
■уд ГДК
= 1187,5 / 200 = $5,94 , или 178,2 руб,
Что при цене продукции на уровне $20-23 составляет около 26-30%.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что в структуре себестоимости по ГДК более 60% занимает стоимость добычных скважин. Несмотря на сложность горно-геологических условий железорудных месторождений КМА, обуславливающих, соответственно, и сложную конструкцию скважин и высокую их металлоемкость, авторам представляется, что в этом направлении можно найти более эффективные решения.
Авторы надеются, что выполненная работа будет иметь прикладное значение для решения вопросов, связанных с проектированием горнодобывающих предприятий, использующих технологию СГД, прогнозированием их экономических показателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабичев НИ. Проектирование геотехнологических комплексов, - М., МГРИ, 1985. с.126.
2. Колибаба В.Л, Калиш Е.А., Ульяненко В.С. Прогрессивная технология добычи минерального сырья из месторождений сверхглубокого залегания. Горный информационноаналитический бюллетень, № 2, изд-во МГГУ, - М., 1999, с.120.
3. Аренс В.Ж, Исмагилов Б.В. и др. Скважинная гидродобычи твер-
дых полезных ископаемых. - М., Недра, 1980, стр. 184-188.
4. Семенова М П, Голубева
A.A. Принципы комплексирования геофизических методов для решения задач, связанных с технологическим процессом скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Горный информационно-аналитический бюллетень, № 2, - М.: Изд. МГГУ, 1999, с. 138-139.
5. Британ И.В, Гостюхин П.Д. Прогноз продуктивности скважин и
оценка экономической эффективности скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА. Горный информационно-аналитический бюллетень, № 9, изд-во МГГУ, № 9, 2001, с. 121-129.
6. Палий П.А. , Корнеев К.Е. Справочник «Буровые долота» Москва, Недра, 1971, стр. 153-156.
7. Лобанов Д.П, Дробаденко
В.П, Малухин Н.Г., Малухин Г.Н. Гидротранспорт продуктов скважинной гидротехнологии. Горный информа-
ционно-аналитический бюллетень, № 2, - М.: Изд. МГГУ, 1999, с. 131-137.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Гостюхин П.Д, Болотов В.А, Росляков О.А. - ООО «НИИКМА-Гипроруда»
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
MUNICIPALISMO! Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
ГОСТЮХИН
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03 CЛUsersYТаняYAppDataYRoammgYMicшsoftYШаблоныYNormaLdotm В В Е Д Е Н И Е
ГОГО JARDIM x8?! PORRA! DIA 8 VOTA NTO!
VOTA NTO А REGЮNALIZAЗГO! SIM AO REFORЗO DO
A REGЮNALIZAЗГO Й UM ERRO COLOSSAL!
03.06.2003 10:17:00
4
18.06.2003 15:01:00 Гитис Л.Х.
13 мин.
08.11.2008 23:55:00
5
3 224 (прибл.) 18 382 (прибл.)
