CC BY
25
© В.И. Салохин, А.С. Хрулев,
Л.В. Каналин, 2002
УЛК 532.5
В.И. Салохин, А.С. Хрулев, Л.В. Каналин
ВЛИЯНИЕ ГИЛРОЛИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ПОЛЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ НА ОСАЖЛЕНИЕ И ВЫНОС НЕРАСТВОРИМЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Основными гидродинамическими процессами, протекающими в подземном резервуаре при его сооружении, являются:
1. Смешивание растворителя, выходящего из водоподающей колонны, с рассолом, находящимся в камере.
2. Конвективные токи растворителя вдоль боковой поверхности и дна камеры.
3. Гравитационное осаждение нерастворимых включений.
Рассмотрим отдельно каждый из этих процессов.
Процесс смешивания растворителя, выходящего из водоподающей колонны с рассолом, зависит от расхода воды, направления выхода потока растворителя, плотности рассола, находящегося в подземной камере, высоты всплытия потока растворителя и граничных условий подземной камеры (высота и диаметр камеры, расположение башмаков рассолозаборной и водоподающей колонны относительно дна камеры и уровня нерастворителя). Процесс смешивания происходит в результате эжектирова-ния струей воды, выходящей из водоподающей колонны, рассола, находящегося в камере, и последующего всплытия растворителя в более плотном растворе соли. Минимальное смешивание растворителя с рассолом имеет место при выходе растворителя вверх. При плотности среды 1,2 т/м3, коэффициент подмешивания (отношение расхода эжекти-руемого рассола к расходу воды) не превышает Кподм = 4. С уменьшением плотности среды в подземном резервуаре до 1,03 т/м3, коэффициент увеличивается в два раза.
При направлении потока растворителя вниз по схеме противоток, коэффициент подмешивания возрастает до 20. С увеличением глубины погружения башмака водоподающей колонны, для направления потока растворителя вниз, коэффициент подмешивания изменяется от 20 для противотока, до 30 для прямотока. Ограниченные размеры камеры при создании гидровруба увеличивают коэффициент подмешивания в 3-5 раз. Скорость всплытия зависит от плотности рассола, находящегося в подземном резервуаре. Она изменяется от 150 м/ч при плотности рассола 1,2 т/м3 до 50 м/ч при плотности рассола 1,03 т/м3.
Снос нерастворимых включений конвективными токеми будет определяться величиной скорости конвективных токов у растворяемой поверхности соли. Как было показано выше, скорость конвективных токов зависит от угла наклона растворяемой
поверхности соли и концентрации соли в растворителе.
При угле наклона боковой поверхности резервуара 300 и средней плотности рассола в подземной камере 1,1 т/м3 скорость конвективного потока составит 6 мм/с. Такой поток будет переносить во взвешенном состоянии частицы с гидравлической крупностью до 2-3 мм/с.
На основании проведенных исследований соли из III ритмо-пачки Россошинской площади была получена эмпирическая зависимость для определения скорости конвективного потока вдоль поверхности каменной соли в зависимости от концентрации соли в растворителе и угла наклона соляной поверхности.
^кон = 35 • [0,07 + .и2 а\ ^рн - Ро
Процесс гравитационного осаждения нерастворимых включений в подземной камере будет определяться следующими факторами:
• гидравлической крупностью нерастворимых включений;
• плотностью рассола, в котором происходит осаждение;
• высотой осаждения (высотой ступени отработки горного массива);
• временем осаждения.
Следует отметить, что процесс осаждения нерастворимых включений в подземном резервуаре отличается от процесса осаждения в горизонтальном или вертикальном отстойнике. В подземном резервуаре объемом в несколько десятков или сотен тысяч кубических метров время осаждения достигает сотен часов, а в обычных отстойниках осаждение длится несколько часов. Поэтому в них степень очистки (остаточная мутность) не бывает меньше 20%. Создание подземного хранилища через вертикальную скважину, как правило, начинается с растворения нижней подрезающей выработки - гидровруба. В гидроврубе малой высоты (от 1,5 м) наибольшее влияние на гидродинамическую обстановку оказывает перемешивание восходящего потока растворителя со слабым рассолом в объеме камеры. Эта зона перемешивания распространяется на большую часть камеры. Поэтому основная масса нерастворимых включений будет находиться во взвешенном состоянии и подниматься по скважине на поверхность (рис. 1А). Благодаря относительно малому объему гидровруба, средняя концентрация рассола обычно не превышает 50 г/л. Поэтому, несмотря на малый угол наклона дна камеры, в ее периферийной части будет преобладать процесс сноса нерастворимых включений конвективными токами вдоль соляной поверхности. В процессе осаждения нерастворимых включений будут участвовать только крупные частицы, но, из-за малой высоты гидровруба, мощность осадка будет незначительной и не окажет влияния на развитие выработки.
В гидроврубе большой высоты (до 10 м) зона перемешивания сосредоточена около скважины и ее размеры уменьшаются (рис. 1Б). Благодаря большо-
му объему гидровруба, который может достигать 10 и более тыс. м3, на процесс сноса нерастворимых включений будет влиять увеличение концентрации рассола по глубине камеры. При этом скорость конвективных потоков с увеличением глубины будет снижаться, способствуя образованию осадка на дне камеры. Время осаждения, которое определяется отношением объема камеры к расходу подаваемого растворителя, для гидроврубов большой высоты увеличивается, что также способствует процессу осадкообразования.
Таким образом, при расчете процесса осаждения нерастворимых включений необходимо учитывать все три гидродинамических процесса, происходящих в подземной камере: перемешивание растворителя и рассола на выходе из водоподающей колонны, снос нерастворимых включений в результате конвективных токов на поверхности соли и их осаждение под собственным весом при отстаивании рассола. На последующих стадиях строительства подземного ре-
Зависимость скорости конвективного потока вдоль поверхности соли от плотности растворителя при разных углах наклона поверхности 45 (1), 30 (2), 15 (3)
Рис. 2. Разность между плотностью насыщенного рассола и плотностью растворителя,т/м3
Рис. 1. Схемы движения гидродинамических потоков в подземном резервуаре. Схемы движения гидродинамических потоков в подземном резервуаре: А - на стадии гидровруба с малой высотой; Б - гидровруба с большой высотой; В - и при отработке ступени
зервуара относительный объем зоны перемешивания уменьшается и возрастает роль процесса осаждения в резервуаре, как отстойнике, и снос нерастворимых включений под действием конвективных токов (рис. 1В). Если поток растворителя не достигает башмака рассолоподъемной колонны, то влияние процесса перемешивания на осаждение нерастворимых включений можно не учитывать. При возрастании концентрации насыщенного рассола над башмаком рассолоподъемной колонны процесс конвективного сноса нерастворимых включений от боковой поверхности камеры к скважине приостанавливается. При достаточно большой высоте камеры имеет место только процесс осаждения и накопления осадка на дне резервуара. При этом количество нерастворимых включений, поднимаемых на поверхность, будет определяться высотой ступени и временем отстаивания рассола. Снос нерастворимых включений определяется скоростью конвективных токов у поверхности растворения. Скорость конвективных токов зависит от концентрации растворителя и наклона поверхности. Была определена зависимость скорости потоков у поверхности соли от угла наклона при разных концентрациях растворителя.
Исследования проводились на установке, представляющей собой прозрачную 20-ти литровую емкость. Емкость заполнялась раствором соли заданной концентрации или водой. В емкость опускался плоский образец соли размером 200х200 мм, устанавливаемый на подставке под заданным углом. Сверху на поверхность подавали подкрашенный растворитель и определяли скорость движения подкрашенной струйки вдоль поверхности.
На графиках приведены зависимости скорости конвективного потока от угла наклона поверхности соли при различных концентрациях растворителя (рис. 2) и зависимость скорости от концентрации растворителя при различных углах наклона соляной пластины (рис. 3).
Задаваясь углом наклона стенок и концентрацией рассола в камере можно определить скорость конвективного потока и гидравлическую крупность переносимых нерастворимых включений.
Изменение скорости конвективного потока от угла наклона поверхности каменной соли при концентрации растворителя 0 г/л (1) и 100 г/л (2)
Рис. 3. Угол наклона поверхности соли, градус
На основе проведенных исследований была усовершенствована методика расчета выноса на поверхность и осаждения в камере нерастворимых частиц с учетом различных способов ввода воды в создаваемую выработку:
1. Определение общего количества нерастворимых включений Рст, образующихся по ступеням создания подземного резервуара и по резервуару в целом Р.
P = М • Сс Р = V P
і cm cm ^ cm 1 cm
где Мст - масса соли, извлекаемой при отработке ступени; Сccm - содержание нерастворимых включений в соли на интервале ступени.
2. Определение исходного содержания нерастворимых включений в рассоле по ступеням создания подземного резервуара
V -г ■ Cc
С Po = cm /с ^ cm ^cm - „
Tcm - Qcm
где Vor - объем соли на ступени; ус - плотность соли; Тст- время отработки ступени; <Зст- расход воды на ступени
3. Определяем содержание нерастворимых включений в поднимаемом рассоле по ступеням создания подземного резервуара
Определяем содержание нерастворимых включений в поднимаемом рассоле при смешивании растворителя с рассолом Срм .
Расход смешенного потока
Qcм = Qcm (К вниз +1)К mom - Кзагл
Площадь сечения смешенного потока
S=
Qcv
v
где V- скорость подъема потока растворителя
Исходное содержание нерастворимых включений в восходящем потоке растворителя
Я • Н • С с
с о = ° 11 с ст
Тст * Qcm
где Нс- мощность соли при отработке ступени
Определяем степень очистки Асм (остаточное содержание нерастворимых включений) не осевших в восходящем потоке при его скорости v по кумулятивным кривым гранулометрического состава нерастворимых включений.
Отсюда ССМ = С°м • АсМ
Определяем содержание нерастворимых включений в поднимаемом рассоле при их сносе конвективными токами
vkoh = 35 • [0,07 + sin2 а\ ^рн - р0
Находим гидравлическую крупность сносимых частиц нерастворимых включений W = 2^н
Определяем степень очистки Асм (остаточное содержание нерастворимых включений) не осевших в конвективном потоке при его скорости v по кумулятивным кривым гранулометрического состава нерастворимых включений.
Асн I^сн )
Отсюда Ср = ст • Асн
Определяем содержание нерастворимых включений в поднимаемом рассоле при их осаждении в подземном резервуаре при отработке ступени
Определяем гидравлическую крупность взвешенных частиц на уровне башмака рассолоподъемной колонны
У р •Н ст • 0ст w = —------------,
V
у пр
где ур- плотность рассола при отработке ступени,
- высота ступени, УПр - объем подземного резервуара при отработке данной ступени.
Определяем степень очистки Асм (остаточное содержание нерастворимых включений) не осевших при их осаждении из раствора по кумулятивным кривым гранулометрического состава нерастворимых включений.
Асн = 1 (wсн ) отсюда Сос = Сст • Аос
В результате получаем содержание нерастворимых включений в поднимаемом рассоле по ступеням создания подземного резервуара
СР = СР + СР + СР
ст см сн ос
4. Определяем количество нерастворимых включений, поднятых с рассолом на каждой ступени и по резервуару в целом
Рп°дн = СР • 0 •Т
ст ст ст ст
P
подн
^подн
cm
= У рг 1 с
5. Определяем количество осевших нерастворимых включений при создании подземного резер-
вуара P o
=P-P
noдн
б. Определяем количество осадка нерастворимых включений, поднятого на поверхность (осадок, который находился ниже башмака рассолоподъемной колонны)
Pno^ =п-R ■ (Hoc -Hbc)-Yoc ,
где R - радиус подземного резервуара у поверхности осадка нерастворимых включений; Нос - мощность осевших нерастворимых включений; Нвс - расстояние от поверхности осадка до башмака рассолоподъемной колонны; уос - плотность осадка.
В. Определяем общую массу поднятых на поверхность нерастворимых включений
P подн = V-' P подн + р подн P ~ / ,‘ст + Рос
9. Определяем полезный объем подземного резервуара
V =V -
г полез r np
P-P
подн
Yoc
Выводы
Проведено исследование влияния гидродинамических процессов, в подземной выработке на осаждение нерастворимых включений.
Усовершенствована методика расчета осаждения и выноса нерастворимых включений из подземной выработки, учитывающая влияние гидродинамических процессов в рассоле.
Экспериментально определено значение скорости конвективных потоков вдоль соляной поверхности от плотности растворителя и угла наклона поверхности.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что на начальных стадиях строительства (до получе-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------
Салохин В.И, Хрулев А.С., КаналинД.В. - ООО «Пс
ния насыщенного рассола), конвективными потоками, возникающими у поверхности соли, может переноситься значительная часть осадка нерастворимых включений.
Выполнена оценка гидродинамической обстановки в подземной выработке в зависимости от стадии строительства и применяемой схемы подачи растворителя.
© А.С. Хрулев, 2002
УЛК 532.5
А.С. Хрулев
ТЕХНОЛОГИЯ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ РОССЫПЕЙ СПОСОБОМ СКВАЖИННОЙ ГИЛРОЛОБЫЧИ (СГЛ)
О
бъектами СГД в настоящее время являются мощные многолетнемерзлые россыпи двух типов: погребенная золотосодержащая россыпь ручья Болотный (Магаданская область) и мощные касситеритовые россыпи Депутатского ГОКа (Республика Соха-Якутия). россыпь ручья Болотный при мощности продуктивного пласта 15-17 м (максимальная до 30 м) имеет большой коэффициент вскрыши от 8 до 15. Касситеритовая россыпь, в частности россыпь Терехтях, при большой мощности пласта от 30 до 80 м имеет коэффициент вскрыши от 0,5 до 2. В основе скважинной технологии выемки песков из этих россыпей лежит водно-тепловое оттаивание мерзлых пород с различными технологическими схемами подачи воды, влияющими на формирование подземной камеры.
С начала 70-х годов технология отработки подземных камер в мерзлых осадочных породах на основе водно-теплового оттаивания исследовалась во ВНИИПромгазе на моделях, стендах и в натурных условиях при строительстве подземных резервуаров-хранилищ. В результате этих работ была разработана и внедрена технология, предусматривающая создание гидровруба в нижней части камеры, отработку камеры с заглубленной водоподачей в нижней
части камеры и формированием свода в кровле камеры с помощью газообразного теплоизолирующего слоя. По данной технологии было создано в мерзлых осадочных породах около десяти подземных резервуаров объемом до 5 тыс. м на глубине до 160 м. Данная технология позволяла формировать подземные камеры заданной устойчивой формы. Однако, принятая схема подачи воды сближенным противотоком для размыва оседающих на дне камеры песков, делала выемку малопроизводительной.
Для определения влияния различных факторов на процесс отработки подземной камеры в мерзлых породах во ВНИИ-1 был проведен комплекс исследований, включающих физическое моделирование, стендовые исследования по размыву мерзлых песков в затопленных условиях, опытные работы по отработке подземных камер в мерзлых осадочных породах на прииске «Экспериментальный» и на кассите-ритовой россыпи карьера «Мамонт» (Депутатс-кий ГОК). Были обработаны материалы по строительству подземных резервуаров - хранилищ (ВНИИПром-газ).
На рис. 1 показана зависимость изменения производительности по пескам при создании подземного резервуара объемом 4000 м3. Характер данной зависимости может быть объяснен на основе расчета затрат тепла при отработке камеры.
Анализ тепловых затрат при отработке подземной камеры показывает, что тепло, подводимое в камеру при закачке воды Ов расходуется на оттаивание породы Ол, нагревание оттаявшей породы до температуры воды в камере Оп и нагревание массива пород вокруг отрабатываемой камеры Ом.
Ов= Ол + ^п + Ом
