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

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�