автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Обеспечение устойчиво управляемых параметров пультоприготовления и всасывания в скважинной геотехнологии

кандидата технических наук
Малухин, Григорий Николаевич
город
Москва
год
1999
специальность ВАК РФ
05.15.11
цена
450 рублей
Диссертация по разработке полезных ископаемых на тему «Обеспечение устойчиво управляемых параметров пультоприготовления и всасывания в скважинной геотехнологии»

Текст работы Малухин, Григорий Николаевич, диссертация по теме Физические процессы горного производства

Министерство общего и профессионального образования РФ Московская государственная геологоразведочная академия имени Серго Орджоникидзе.

На правах рукописи

Малухин Григорий Николаевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВО УПРАВЛЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИЯ И ВСАСЫВАНИЯ В СКВАЖИННОЙ

ГЕОТЕХНОЛОГИИ

Специальность 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор

Лобанов Дмитрий Петрнович

Москва 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... Л

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ. И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................... 9

1.1 Научные предпосылки процесса всасывания в

геотехнологических методах разработки...................................... 9

1.2 Технические и технологические особенности процесса всасывания........................................................................... 17

1.3 Разработка структуры технологии всасывания и обоснования комплексного решения вопроса................................................. 29

1.4 Цель и постановка задачи исследования.................................. 35

ГЛАВА 2, АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВНЕШНЕЙ И ВНУТРЕННЕЙ ГИДРОДИНАМИКИ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ПОТОКОВ В СЛОЕ ГОРНОЙ МАССЫ ПРИ ПУЛЬПОПРИГОТОВЛЕНИИ И ВСАСЫВАНИИ............... ............ ^

2.1 Особенности гидродинамики перемещения. твердого

взвесенесущими потоками при свободном всасывании........ ............ 40

2.2 Аналитическое обоснование степени стесненности потока от концентрации гидросмеси при всасывании................................... 57

2.3 Исследование внешней и внутренней гидродинамики процесса

всасывания взвесенесущего потока при погружении гидродобычного

агрегата в слой горной массы.................................................... 82

Выводы............................................................................... 405

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СПОСОБОВ И РЕЖИМОВ ВСАСЫВАНИЯ В ГОЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДАХ.............................................. 401

3.1 Методика экспериментальных исследований............................ 103

3.2 Исследование процесса свободного всасывания с управлением расхода рабочей жидкости........................ ............................... ач

3.3 Исследование процесса всасывания при погружении гидродобычного агрегата в несвязную горную массу...................... 133

Выводы............................................................................... 145

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОЦЕССА ВСАСЫВАНИЯ В СКВАЖИННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ.. ................................. ...... 141

4.1 Разработка общей методологии расчета процесса

пульпоприготовления и всасывания............................................

4.2 Инженерные методы расчета процесса всасывания в скважинной геотехнологии....................................................................... 1

4.3 Используемые технологические схемы всасывания в

геотехнологических поточно-однолинейных процессах.................. О

А 7 Т

Выводы............................................................................... 1 ^

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... И6

ЛИТЕРАТУРА........................................................................... 119

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................... Ш

В работе приняты следующие сокращения:

СГТ - скважинная гидротехнология;

СГД - скважйнная гидродобыча;

ГТМ - геотехнологические методы;

ПРС - подземное растворение солей;

ПВС - подземная выплавка серы;

СПВ - скважинное подземное выщелачивание;

ГТП - геотехнологические процессы;

ГТСМ - геотехнологические скважинные методы;

СМ - скважинные методы;

ГДУ - гидродобычная установка;

ГДА - гидродобычной агрегат;

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время обобщается небольшой опыт научно -исследовательских, опытно - промышленных работ по скважинным геотехнологическим методам добычи. Процесс в развитии скважинных геотехнологических методов добычи и опробования полезных ископаемых привлекает внимание научные и производственные коллективы многих отраслей промышленности. Это обусловлено тем, что именно от геотехнологии ожидается решение многих важных проблем, не только связанных с необходимостью вовлечения в промышленную эксплуатацию бедных и забалансовых руд при минимальных кап. вложениях, но и возрождением экологически оправданных производств.

Общеизвестны достоинства скважинных геотехнологических методов добычи и в том, что эксплуатацию ряда месторождений таким способом можно начинать уже на стадии геологоразведочных работ.

На этом фоне особенно четко обозначилась необходимость развития теории, методов расчета наименее изученных и прогнозируемых процессов скважинных геотехнологических методов. Скважинные геотехнологические методы добычи характеризуются высокой специализацией составляющих процессов. Решение сложных многофункциональных задач технологического цикла скважинных методов требует и взаимодействие смежных фундаментальных наук, а также опытно - теоретических работ. Вопросы надежности добычи и научное обоснование процесса пульпоприготовления и всасывания имеют принципиальное значение, ввиду отсутствия визуального контроля очистных работ и, поэтому, для эффективного управления непрерывным технологическим процессом необходимы четкие научно -обоснованные технологические рекомендации, апробированные опытом.

Таким образом, развитие методов расчета и проектирования процесса пульпоприготовления и всасывания в скважинных методах добычи является актуальной задачей исследования.

Основная идея работы заключается в необходимости создания и сохранения гидродинамического равновесия расходно - напорных параметров рабочей жидкости и твердого для управления формированием взвесенесущих потоков в плоскости всасывания.

Научные положения, разработанные в диссертации, сводятся к следующему:

- основная методология прогнозной оценки состояния взвесенесущего всасываемого флюида должна основываться на аналитической зависимости только критериальных показателей несущей жидкости с одной стороны и твердого - с другой, причем учет стесненности потока от концентрации твердого в объеме гидросмеси и от геометрических параметров линии всасывания скважинного гидродобычного агрегата является взаимоисключающими составляющими этой оценки;

- внутренняя, внешняя и смешанная гидродинамики несущей жидкости по поровым каналам слоя горной массы в очистной камере как взвесеформирующего потока в плоскости всасывания и взвесенесущего флюида в линии гидротранспорта скважинного гидродобычного агрегата, имеют единую физическую природу и многофакторно связаны аналитической зависимостью коэффициентов лобового сопротивления частицы твердого в потоке гидросмеси и гидравлического сопротивления порового слоя горной массы;

- расход несущей жидкости в объеме гидросмеси линии всасывания определяет гидравлическое сопротивление порового слоя горной массы в очистной камере вокруг всасывающего трубопровода и соответствующий режим работы установленной на нем дренажной системы.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

- обоснована структура расчетного выражения гидравлической крупности твердого при его перемещении в объеме гидросмеси в вертикальном трубопроводе, как аналитическая связь критериев Рейнольдса и Архимеда с учетом порозности всасываемой горной массы, что оценивается

коэффициентом стесненности в виде степенной, а при разложении его в ряд и линейной зависимостями от консистенции гидросмеси и режима ее движения;

- аналитически установлены коррективы на стесненность взвесенесущего потока от диаметра всасывающего трубопровода и концентрации твердого в объеме гидросмеси, позволившие теоретически обосновать условия их совместного применения;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гидродинамическая связь рабочих потоков вне и внутри всасываемого трубопровода в виде функциональной связи коэффициентов лобового сопротивления частицы твердого и гидравлического сопротивления порового пространства горной массы с учетом ее порозности и режима движения гидросмеси;

- выявлены закономерности свободного всасывания, позволившие получись основные зависимости геометрических параметров воронки предельного размыва как от гидродинамических показателей взвесенесущего потока, так и от характеристик перемещаемого при всасывании твердого;

- размещение дополнительного рециркуляционного патрубка соосно с всасывающим трубопроводом позволяет верхней части всасываемого потока сначала сформировать необходимую гидродинамику взвесенесущему нижнему потоку, а затем, при подходе к всасывающему отверстию, исключиться из последующего процесса свободного всасывания, рециркулируя слабонасыщенным потоком по образованному кольцевому каналу, позволившее центральному, наиболее концентрированному, взвесенесущему потоку направляться во всасывающую трубу, нижние торцы которого и рециркуляционного патрубка должны находиться в одной плоскости всасывания.

- наиболее благоприятными условиями для всасывания является наличие слоя горной массы вокруг всасывающего трубопровода и минимально-достаточного расхода несущей жидкости в плоскости всасывания, что

обеспечивается размещением соосно с всасывающей трубой дренажного канала длиной, достаточной для сообщения плоскости всасывания с жидкостью, расположенной в верхней части слоя горной массы, окружающей всасывающую трубу;

- установлено, что при эрлифтном всасывании «из под слоя» подача воздуха, должна производиться в нижнюю конфузорную часть всасывающей трубы, в которой воздух входящий в подъемную трубу, создает эффект эрлифтирования, а поступающий вне трубы - обеспечивает режим псевдоожижения и рабочую подвижность слоя горной массы над плоскостью всасывания;

- обоснованны необходимые гидродинамические условия при всасывании «из под слоя», позволившие аналитически определить допустимую высоту этого слоя в строгом соответствии с транспортирующей способностью необходимо-достаточного фильтрационного расхода;

- обоснована фильтрационная способность порового канала горной массы вокруг всасывающего наконечника в зависимости от степени порозности слоя, размера фракций твердого, вязкости несущей жидкости, диаметра всасывающего трубопровода, а также перепада напора в слое всасывания, позволившая теоретически обосновать и разработать ряд высокоэффективных всасывающих устройств с соблюдением необходимого баланса давлений в плоскости всасывания.

Работа выполнена на кафедре «Геотехнологии руд редких и радиоактивных металлов» и лаборатории «Новые гидротехнологии» МГГА.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

Скважинные геотехнологические методы разработки представляют собой сложный многофункциональный процесс физико-химических воздействий на разрабатываемый массив и последующее перемещение твердого в гомогенном или гетерогенном состоянии. Правильная оценка и управление взаимодействием смежных процессов возможна при условии глубокого изучения технологии скважинной гидродобычи, растворения солей, выщелачивания и выплавки серы.

1.1 Научные предпосылки процесса всасывания в геотехнологических

методах разработки.

Геотехнологические методы разработки основаны на переводе твердого полезного ископаемого в подвижное состояние физическими, химическими и комбинированными средствами воздействия. Непосредственно процесс перевода твердого в подвижное состояние еще не решает проблем добычи полезного ископаемого тем или иным способом. Возникает задача создания таких внешних и внутренних воздействий на флюид, при которых направленное, управляемое движение его становится неизбежным.

При скважинном выщелачивании пластовых месторождений, продуктивные растворы откачиваются на поверхность по эксплуатационной скважины (рис.1) благодаря созданию градиента давления в прифильтровой зоне эрлифтным или насосным агрегатом. Причем скорость при всасывании продуктивного раствора должна быть не более гидравлической крупности песковой фракции, через поровый слой в котором происходит движение искомого флюида [5,48]. В таких условиях ограничение скоростей всасывания является необходимым обстоятельством оптимальной работы скважины без пескования фильтра.

Подземная скважинная выплавка серы (рис.2) основана на переводе серы в подвижное состояние расплавлением ее горячей водой. Откачка горячей

Рис. 1. Схема выщелачивания руды с помощью скважин-оросителей.

сера

воздух

горячая вода

Рис. 2. Схема очистной камеры при добыче серы методом подземного расплавления через скважины.

расплавленной серы производится эрлифтом с учетом спектра всасывания призабойной зоны. Повышение скорости всасывания вызывают суффозию примесей по рабочим каналам движения расплавленной серы, что приводит к их кольматации.

Таким образом, в рассмотренных геотехнологических методах 1скорости в процессе всасывания ограничиваются степенью транспортабельности песка и примесей. Вместе с тем, в других геотехнологических методах требование создания эксплуатационных скоростей всасывания имеет иной физический смысл.

Так, при подземном скважинном растворении солей (рис.3) выдача насыщенного рассола производится посредством вытеснения водой, закачиваемой в скважину [6, 39]. В процессе эксплуатации на дно камеры оседает большое количество нерастворимых твердых примесей. С одной стороны постепенный подъем рассолоподъемной трубы ограничивает попадание нерастворимых твердых осадков в трубу. Но при этом кондиционный высоконасыщенный рассол остается в камере и теряется в ней. С другой стороны, извлечение из добычной камеры на поверхность нерастворимых примесей позволяет откачивать глубинны наиболее насыщенные рассолы. Управление необходимыми скоростями при всасывании создают условия захвата потоком нерастворимых примесей и перемещения их по рассолоподъемной трубе (рис.3) [6, 39]. Основная задача при всасывании в технологии скважинной гидродобычи (СГД) (рис.4) является создание скоростей потока, позволяющих перемещать твердое к всасывающим окнам добычного аппарата. Степень насыщенности гидросмеси твердым в значительной степени зависит от условий всасывания [7, 20]. Производительность гидроразрушения и самотечного гидротранспортирования по почве очистной камеры должна быть взаимосвязана с возможностью взвесенесущих потоков при пульпоприготовлении и всасывании. Проведенный анализ практики проектирования геотехнологических способов добычи

рассол -4

надсолевые породы

соляная залежь

подсолевые породы

а) послойным растворением

Рис.3. Скважинное растворение солей.

^ рассол

вода

надсолевые породы

соляная залежь

подсолевые породы

надсолевые породы

соляная залежь

подсолевые породы

рассол

вода -^

б) методом создания начального гидровруба.

а) при размыве в незатопленных очистных камерах.

Рис. 4. Схема скважинной гидродобычи.

вода

« \ .. . . . ' ' ' * * • 'Ч* ч 1* -у~У • •

Ю-'■'.'. ■'-'...■.'. 1.'.'.■ '•л.',.1.,' !■•'-СтУ.I,',),'.(.'.п

-г- — |.|г; •-■• • ■ ......'-|1- .у; г .'"' ,'.о'..'.ч;-

•да': -м " *. '.V"■ ^. ;' .'•■ у V. и'.

б) при ведении очистных работ затопленными забоем.

показывает, что непосредственно расчеты процесса всасывания при этом практически отсутствуют. Так, например, общепринятая методика проектирования СГД даже не упоминает об этом процессе, выделяя [8, 11, 12, 87,116] только следующие методики расчета:

- свободной незатопленной струи;

- затопленной гидромониторной струи;

- доставки руды в очистной камере;

- эрлифта;

- гидроэлеватора;

- укладки руды в карты намыва.

С другой стороны, вопросы технологии всасывания непосредственно связаны с закономерностью движения жидкости через поровый слой твердого вокруг всасывающего наконечника. В предельном случае, если поровый объем соответствует порозности плотной упаковки твердого, то движение всасывающего потока можно рассматривать как фильтрационное . что является основным видом движения раствора при выщелачивании [14, 47, 71].Основа расчета процесса фильтрации в геотехнологии заимствована из данных гидрогеологических исследований и в основном сводится к формуле:

У = кГ, (1.1)

где

V - скорость фильтрации, м\с;

к - коэффициент фильтрации, м\с;

I - градиент напора;

ш - эмпирический коэффициент (ш>1).

Практически все предлагаемые формулы зависимости между скоростью фильтрации и градиентом напора в геотехнологических методах получены эмпирически, путем подбора по результатам экспериментов аппроксимирующих выражений, поэтому физическая сущность входящих в них коэффициентов остается не раскрытой [14, 71, 134, 102].

Не составляет в этом смысле исключения и такой параметр, как начальный градиент фильтрации. При всей очевидности его физической интерпретации, как некоторого сдвигового сопротивления жидкости, остается неясной связь его с другими показателями, характеризующими процесс фильтрации.

На протяжении многих десятилетий и до на�