Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы скважинной гидродобычи полезных ископаемых 9
1.1 Анализ опыта ранее проведенных работ по скважинной гидродобыче и современное состояние технологии скважинной гидродобычи 9
1.2. Объекты для скважинной гидродобычи при разведке и отработке месторождений полезных ископаемых 16
1.3. Выводы. Цели и задачи исследований 19
2. Анализ процессов скважинной гидродобычи 21
2.1. Системный анализ работы гидродобычного агрегата 21
2.2. Механика и технические средства разрушения горной породы 24
2.3. Подъем пульпы на поверхность 32
2.4. Массоперенос в очистной камере 43
2.5. Всасывание горной массы 51
2.6. Транспортные магистрали снаряда СГД 56
2.7. Форма и размеры очистного пространства 58
2.8. Фильтрация 61
Выводы 64
3. Исследование процессов массопереноса при скважинной гидродобыче в затопленных очистных пространствах 66
3.1. Методика исследований процессов массопереноса в затопленных очистных пространствах 67
3.2 Гидравлическое моделирование и исследование скоростного поля в придонной области очистного пространства 72
3.3 Гидравлическое моделирование процесса массопереноса при СГД на основании результатов проведенных экспериментов 90
3.4. Разработка методики эффективного массопереноса в очистном пространстве при СГД 92
Выводы 93
4. Аналитическое исследование гидродобычных агрегатов на основе математического моделирования процесса гидродобычи 94
4.1. Обобщенная методика математического моделирования 94
4.2. Цели, задачи и границы моделирования 98
4.3. Синтез математической модели процесса СГД 100
4.4. Выбор оптимального соотношения режимных параметров гидромониторной струи 107
4.5. Выбор рационального соотношения диаметров колонн в скважине 108
4.6. Оценка влияния на технологический процесс СГД взаимодействия с водоносными горизонтами 110
4.7. Выбор макро-режимных параметров работы эжекторного снаряда СГД 115
4.8. Работа снарядов СГД в несбалансированных и переходных режимах 118
4.9. Анализ работы эрлифтного снаряда СГД 119
Выводы 124
5. Практические рекомендации по проектированию геотехнологических комплексов и перспективы развития технологии скважинной гидродобычи 126
Заключение 132
- Объекты для скважинной гидродобычи при разведке и отработке месторождений полезных ископаемых
- Механика и технические средства разрушения горной породы
- Транспортные магистрали снаряда СГД
- Гидравлическое моделирование и исследование скоростного поля в придонной области очистного пространства
Введение к работе
Актуальность работы.
Скважинная гидродобыча – способ подземной гидравлической разработки
месторождений тврдых полезных ископаемых, при котором полезное ископаемое
переводится на месте залегания в гидросмесь. Основные технологические процессы при
СГД: вскрытие пласта; гидроразмыв; пульпоприготовление; транспортировка от забоя до
всасывающего устройства; подъм гидросмеси на поверхность; обогащение;
складирование хвостов обогащения; осветление оборотной воды и водоснабжение; управление горным давлением. Непосредственно процесс приготовления пульпы в подземных полостях и выдача ее на поверхность через скважину осуществляются с помощью специального скважинного гидродобычного снаряда (СГС). СГС в совокупности с механизмами и агрегатами, обеспечивающими его работу с поверхности, образует гидродобычной агрегат (ГДА). На сегодняшний день СГД является перспективным способом опробования месторождений с целью отбора крупнообъемных проб.
СГД позволяет коренным образом преобразовать технологию опробования и добычи полезных ископаемых и исключить присутствие людей под землей, а также свести к минимуму вредные экологические последствия ведения горных работ. На территории Томской области данным способом возможна разработка рудных песков Туганского и Георгиевского месторождений и железной руды Бакчарского рудопроявления.
Несмотря на то, что первые работы по СГД были произведены в первой половине ХХ века, до настоящего времени данная технология не получила достаточного внедрения и должного уровня теоретической проработки. Огромный вклад в теоретическое осмысление технологии СГД внесли ученые – исследователи В.Ж. Аренс, Н.И. Бабичев, Н.Г. Малухин, А.С. Хрулев.
Глубокое теоретическое и практическое изучение технологии выполнено в работах А.Л. Вильмиса, А.В. Пинчука, Ю.Б. Фомина, И.И. Бройда, В.И. Колесникова; С.Н. Журина; И.А. Сергиенко и др. В общую теорию СГД были включены результаты фундаментальных исследований, специальных исследований в горной промышленности.
Актуальность данной работы заключается в том, что предложены решения по
повышению качества организации процессов массопереноса в очистном пространстве и
созданию методики комплексного проектирования технологии СГД с учетом основных
воздействующих факторов.
Цель: Повышение эффективности технологии опробования и последующей отработки месторождений методом СГД за счет формирования методологической базы
проектирования, улучшения условий массопереноса и координации технологических процессов.
Предметом данного исследования являются процессы массопереноса в затопленных очистных пространствах, взаимодействия в гидравлической системе скважинного гидродобычного снаряда.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи: выполнить анализ современного состояния технологии СГД, расчетных методов для каждого из технологических процессов с определением их надежности и достоверности;
аналитически исследовать взаимосвязь технологических процессов при СГД на основании ранее разработанных математических моделей;
исследовать процессы придонного массопереноса и сопутствующие гидродинамические процессы с целью выявления путей повышения эффективности придонного гидротранспорта;
разработать методику получения представительных по вещественному составу проб полезных ископаемых методом СГД при обеспечении высокой энергоэффективности и производительности;
разработать методику комплексного проектирования технологии СГД на основании результатов ранее проведенных работ и собственных исследований с испоользованием математической модели СГД, учитывающей ключевые взаимодействия процессов СГД.
Методика исследований. Для решения поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включавший в себя проведение теоретических и экспериментальных исследований, гидравлическое и математическое моделирование процессов скважинной гидродобычи, в том числе с использованием современных программных комплексов Autodesk Inventor; CosmoFloWork; MathCAD.
Научная новизна.
1. Проведенные исследования гидродинамических процессов в добычных камерах позволили:
установить математическую зависимость для определения скорости придонного течения в области всаса в зависимости от интенсивности всасывания и параметров всаса (зазор между всасывающим наконечником и плоскостью всасывания, диаметр всасывающего наконечника);
доказать, что всас можно рассматривать как некоторый точечный источник депрессии в пространстве при значительном расстоянии до него в плоскости всасывания;
получить количественную взаимосвязь между площадью зон эффективного удаления полезных ископаемых из очистных пространств и гидравлической энергией струи, инициирующей этот процесс;
для расчета эффективного массопереноса в затопленном очистном пространстве посредством отраженных гидромониторных струй с различным углом атаки к забою выявить математическую зависимость в виде
2700"
0.55
W>
ДІ05Г
где W - удельная энергомкость гидротранспорта частиц, кВт/м ; R - радиус очистного пространства, м; Q - интенсивность всасывания, м/с; V - необходимая минимальная транспортирующая скорость по условиям эффективного придонного гидротранспорта, м/с;
2. На основании комплексного математического моделирования работы
гидродобычного агрегата (ГДА) получена количественная оценка:
влияния соотношения диаметров колонн труб (магистралей) снаряда СГД на энергоэффективность процесса СГД;
влияния соотношения производительности процессов гидроразмыва и пульпопориготовления (из условия необходимости поддержания заданной плотности пульпы) на энергоэффективность СГД;
воздействия на технологические процессы СГД фильтрационных взаимодействий с вскрываемыми очистной камерой коллекторами.
3. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований
созданы новые инженерные методики расчета технических и технологических параметров
СГД:
методика расчета очистного процесса, осуществляемого посредством всасывания и гидромониторного воздействия в затопленных очистных камерах;
методика расчета транспортных магистралей для эжекторных гидродобычных агрегатов;
методика комплексного расчета технических средств (снарядов) для реализации СГД.
4. Сформировано новое научное направление в области комплексной и системной оценки эффективности СГД, учитывающее технические факторы и горно-геологические условия месторождений.
Личный вклад автора: Автором лично выполнены аналитические исследования технологических процессов СГД, основанные на ранее полученных практических материалах; лично выполнены лабораторные и экспериментальные исследования гидродинамических процессов и процессов массопереноса в затопленных очистных камерах скважинной гидродобычи (СГД).
Автором лично разработана методика расчета процесса придонного
массопереноса, направленная на повышение представительности (по вещественному составу) извлекаемых методом СГД проб.
Автором лично разработана методика расчета и проектирования технических средств СГД, основанная на комплексном и системном подходе к методу СГД, как к сложной системе взаимодействующих технологических процессов.
Достоверность результатов исследований и защищаемых положений обоснована значительным объемом теоретических и экспериментальных исследований и подтверждена общепринятыми методами статистической обработки материалов, а также результатами численного моделирования решаемых гидравлических задач.
Апробация работы Идея работы и основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры Бурение скважин Томского Политехнического Университета; в докладах на XII – XVI международных научных симпозиумах имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», техническом совещании в ООО «Белгородская горнодобывающая компания»; техническом совещании ОАО «ВИОГЕМ» (г. Белгород); на научно-технических совещании в ООО «СПХ» (г. Омск); ООО «НПО ГелиоТом+» (Томск); КазНТУ им. К.И. Сатпаева (Алматы).
Публикации. По теме работы имеется 10 публикаций, в т. ч. 2 в журнале из списка ВАК; 2 патента на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Объекты для скважинной гидродобычи при разведке и отработке месторождений полезных ископаемых
Например, по мнению А.С. Хрулева горно-геологические условия многолетнемерзлых россыпей и накопленный опыт скважинной гидродобычи различных полезных ископаемых свидетельствует о возможности применения способа СГД при разработке россыпей благодаря эффективности водно-теплового разрушения мерзлых осадочных пород и устойчивости кровли пластов [186].
Глубина залегания известных погребенных россыпей изменяется от 20 до 300 м [186]. Крупность породного материала продуктивного пласта является одной из главных особенностей россыпей. Обычно крупность поднимаемых гидроэлеватором пород не превышает 100150 мм, так как для подъема более крупных фракций требуются большие энергозатраты.
При разработке маломощных многолетнемерзлых россыпей большое значение имеет опыт скважинной гидродобычи урана [166]. Подобные работы проводились под руководством сотрудников Московского геологоразведочного института [11, 12, 19, 53, 107, 111]. При разработке россыпей средней мощности интерес представляет опытно-промышленное освоение способа СГД на Кингисеппском месторождении фосфоритов [11]. Для мощных многолетнемерзлых россыпей наиболее значимыми являются работы сотрудников ВНИИПромгаза по созданию подземных резервуаров в мерзлых осадочных породах [161].
Применительно к скважинному опробованию методом СГД, проблему обрушения кровли возможно решить путем уменьшения размеров очистных пространств и сокращением времени отработки. Более сложную проблему представляет расслоение проб полезных ископаемых и оседание более тяжелых (как правило рудных) составляющих пульпы на дне очистной камеры. Данная проблема наблюдалась при отработке месторождений титан-циркониевых руд [62, 1]. Предполагается, что данное явление будет иметь место при разработке золотых [186] и алмазных [152] россыпей. Предложенные к настоящему времени технологии эффективного гидротранспорта в очистном пространстве при СГД [174] и при поверхностной гидроразработке месторождений [136, 145, 191] не рассматривают проблему повышения качества проб и сконцентрированы на повышение только производительности процесса гидродоставки.
На данной стадии развития скважинной гидродобычи представляется возможным отбирать через скважины значительное количество россыпного и слабо связного материала, в том числе диаметром более 100 мм. Практически полученные диаметры добычных камер достигают 510 м. Выполненный анализ работ по опробованию и горно-геологических условий ряда объектов позволяет утверждать, что перспективные работы по крупнообъемному опробованию следует привязать к следующим горно-геологическим условиям месторождений:
Очевидно, что разработав эффективную технологию опробования данных объектов способом СГД и мероприятия по улучшению качества получаемых проб возможно обеспечить широкое внедрение данного способа опробования и добычи в производственную практику.
Выводы. Цели и задачи исследований
Проведенный анализ работ по СГД и крупнообъемному опробованию месторождений полезных ископаемых показал, что при крупнообъемном скважинном опробовании имеется ряд проблем, в том числе: отсутствует надежная технология разрушения горных пород (гидромониторное разрушение имеет низкие результаты по диаметру размыва, производительности и энергоемкости); технология СГД малоуправляема. На данный момент не предложена методика расчёта, которая позволит рассчитать все процессы СГД и согласовать их между собой; искажается вещественный состав проб; при разработке месторождений обрушается кровля, что может привести к блокированию полезного ископаемого, прихвату снаряда и образованию провалов на поверхности.
Для целей скважинного опробования большее значение имеет качество опробования, воздействовать на которое можно только детально изучив процессы массопереноса в добычной камере и процессы сортировки грунта, а также изучить взаимное влияние технологических процессов, что необходимо для обеспечения технологических режимов, обеспечивающих надежное опробование.
При крупнообъемном опробовании проблему недостаточного радиуса действия гидромониторной струи допустимо решать увеличением количества скважин, проблему неустойчивости кровли решать путем уменьшения времени выемки и размеров добычной камеры.
Как показал анализ проведенных работ, изменение состава пробы СГД по сравнению с составом породы в целике происходит достаточно часто. Это объясняется неполной и избирательной выемкой полезных ископаемых (например только рыхлые пропластки) или сортировкой материала в добычной камере, что характерно для рыхлых и слабосвязных пластов. Во втором случае проблема повышения качества проб при опробовании россыпей может быть решена путем улучшения транспорта горной породы в добычной камере и предотвращением сортировки пробы.
Технологический процесс СГД представляет собой сложную гидравлическую систему взаимосвязанных процессов, а расчет и проектирование работ по СГД требует комплексного подхода ко всей технологической схеме. Очевидно, что только комплексное изучение технологии СГД позволит разработать методику регулирования технологических процессов для обеспечения качественного опробования и высоких технико-экономических показателей.
Исходя из вышесказанного, можно сформулировать цель и задачи исследования. Целью выполняемой работы является повышение качества крупнообъемного опробования осадочных месторождений путем оптимизации технологических параметров СГД и совершенствования процесса массопереноса в добычной камере.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: исследовать теоретически и практически процессы транспортировки разнородного грунта к всасывающему устройству по дну очистной камеры; теоретически исследовать взаимодействие технологических процессов при СГД; разработать методику расчёта и оптимизации режимных параметров СГД; разработать технологию проектирования работ по крупнообъемному опробованию и технологию отбора технологических проб максимальной представительности. Решение поставленных задач должно производиться на базе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процессов, протекающих при СГД как в очистной камере, так и при транспортировании пульпы на поверхность.
Механика и технические средства разрушения горной породы
Процесс массопереноса является связующим процессом между размывом горной породы и ее выдачей на поверхность. Выбор способа доставки пульпы к всасывающему устройству во многом зависит от формы и размеров сформированной очистной камеры. По опыту работ СГД, в редких случаях радиус очистных пространств превышал 57 м. В очистных пространствах с подобными размерами, успешно может быть реализована доставка одновременно самотечным и гравитационным способами без применения специальных технических средств.
Существующие и предполагаемые схемы транспорта пульпы в затопленных добычных камерах могут быть реализованы несколькими способами (рис. 11): а) смыв горной массы создаваемым при всасывании потоком жидкости; б) формирование воронки и транспортировка твердых частиц под действием взвешивающих скоростей и сил гравитации; в) самотечный транспорт плывунов за счет создаваемой депрессии и вытеснения горным давлением; г) смыв горной массы специально создаваемой гидромониторной струей; д) смыв горной массы гидромониторной струей, отраженной от стенок камеры; е) использование гибкого всасывающего устройства; ж) активное взвешивание и всасывание взвеси. Простейшая и достаточно изученная технологическая схема приведена на рис. 11 а.
В случае, если поток жидкости на некотором расстоянии от всаса уже не способен транспортировать грунт, будет происходить образование конуса (рис. 11, б) и накопление части горной массы на дне камеры, увеличивая радиус выноса за счет действия сил гравитации. Основной недостаток данных схем – не исключается осадконакопление и переотложение тяжелых фракций вне активной зоны всасывания. Технологическая схема, приведенная на рис. 11, г тоже не исключает осадконакопление в периферийной области очистного пространства. Более совершенными в этом отношении являются технологические схемы, показанные на рис. 11, в, д, е. Однако реализация гибкого всаса является перспективной, но технически сложной задачей, а разработка месторождения путем активизации плывунных свойств возможно далеко не на всех месторождениях. Более рациональной с точки зрения дальнейшего развития является технологическая схема, показанная на рис. 11, д, которая получила на практике наибольшее распространение. Следует отметить, что в приведенных технологических схемах не уточнялась конструкция всаса, которая на практике может быть различной.
Рассматривая данные схемы процесса СГД, рис. 11, можем выделить несколько вероятных путей изменения состава пульпы (проб): неполный размыв горной массы. В условиях перемежающихся рыхлых и прочных пород, размываться и удаляться могут только рыхлые пропластки. Разнородность состава рыхлых и твердых пород приводит к изменению состава получаемых проб; неполное удаление горной массы из очистной камеры, оседание наиболее тяжелых фракций на днище камеры; разделение горной массы по скорости перемещения в процессе всасывания и подъема на поверхность. Очевидно, вне зависимости от скорости подъема, с течением времени должно произойти полное извлечение пробы; обрушение пород кровли и перекрытие доступа к опробуемому пласту.
В концепции опробования месторождений в слабосвязных горных породах, наиболее вероятна вторая ситуация. Поэтому вопрос массопереноса в добычных камерах требует детального теоретического и опытного изучения.
Совершенствование процессов массопереноса требует дополнительного изучения ряда вопросов, связанных с механизмом транспортировки твердых частиц и гидравлическими процессами в добычных камерах (поля скоростей при всасывании и при работе гидромониторных струй). Выполним анализ ранее проведенных работ по изучению процессов массопереноса в природных процессах (реки, водотоки) и технологических процессах горной и химической промышленности. В работах М.А. Великанова [51, 52], В.М. Маккавеева [12, 112], В.Н. Гончарова [68], ИИ. Леви [103] и многих других рассмотрены не только вопросы теории перемещения твердых частиц напорными и безнапорными потоками, но и даны опытные решения их транспортирующей способности.
Подавляющее большинство исследований гидро- и пневмотранспорта, подчиненных требованию частных задач практики, относятся к перемещению разнообразных насыпных материалов. Это работы И.А. Дементьева [72], В.С. Кнороза [88], Г.А. Нурока [130, 131], НА. Михайловой [116], А.К. Смолдырева [165, 166], Б.В. Романенко [135, 136], А.П. Юфина [165], В.П. Дробаденко, О.С. Брюховецкого [46, 107] и др.
Важным шагом в теоретическом изучении переноса твердых частиц турбулентным потоком являются работы Г.И. Баренблатта [25, 26], А.Н. Колмогорова [87], В.М. Маккавеева [112, 113], Ф.И. Франкеля [178, 179] и других, в которых сделана попытка на основе современных достижений гидромеханики и теории турбулентности составить уравнения движения, неразрывности и энергии потока, несущего твердые частицы.
В целом, изучение движения наносов водными потоками многими авторами сводится к установлению: неразмывающих скоростей потока; расхода влекомых донных наносов; удельной транспортирующей способности потока.
Большая часть существующих зависимостей для определения перемешивающих скоростей потока установлена из условия обеспечения устойчивости твердых частиц на сдвиг или опрокидывание под действием сил лобового давления и подъемной силы потока.
При исследовании неразмывающих скоростей в русловом потоке М.А. Дементьевым, В.С. Кнорозом [88] было замечено, что неразмывающая скорость (vH) при больших глубинах потока (Н) зависит не только от Н и dср, но и от надлежащим образом составленного числа Рейнольдса, которое было названо критерием режима движения:
Транспортные магистрали снаряда СГД
Объем выполненных исследований оказался недостаточным для того, чтобы воспроизвести полную картину придонных полей скоростей. Для того, чтобы ограничить объем исследований и увеличить надежность результатов, выполнено аналитическое исследование и моделирование процесса притока жидкости к всасу, а затем сопоставлены фактические результаты с полученными моделями.
Полагая, что всас является точечным источником депрессии и не учитывая гидравлических сопротивлений в силу незначительности скоростей, можем считать, что поверхности равных скоростей представляют собой полусферы. Тогда, из условия неразрывности потока Q следует, что во всех точках, находящиеся на расстоянии R от всаса, скорость потока будет равна v = Цг = 2 2 . (26)
По результатам опытов для точек № 251270 получаем зависимость, представленную на рис. 29. Сопоставляя полученные результаты с зависимостью, полученной в CosmoFloWork, можем сделать вывод о том, что построенные в редакторе поля скоростей соответствуют фактическим. Несмотря на значимые расхождения графиков на рис. 28, предлагаемая аналитическая зависимость (26) также может быть рекомендована для примерного расчета придонных скоростей.
Очевидно, что полученная зависимость (26) не может быть полной без учета влияния высоты всаса, а также формы и диаметра всаса. Для того, чтобы уточнить влияние данных факторов на придонную скорость были проведены опыты № 271299С. В соответствии с результатами опытов, увеличение диаметра всаса приводит к некоторому увеличению радиуса смыва образцов (рис. 30).
Однако, по результатам моделирования в CosmoFloWork (рис. 31), можно сделать вывод, что увеличение диаметра всаса вызывает увеличение интенсивности прироста придонных скоростей, в то время как на расстоянии порядка (23) D, интенсивность остается прежней и может быть рассчитана по формуле (26). Рис. 28. Зависимости придонной скорости течений при всасывании v от расстояния до оси
Увеличение расстояния от сечения всаса до днища, по результатам опытов (рис. 32), приводит к значительному ослаблению поля скоростей, а, соответственно, уменьшению радиуса смыва образцов грунта. Увеличение высоты всаса над забоем приводит к локальному ослаблению скоростного поля. Как видно из графика на рис. 33, на расстоянии 100120 мм влияние высоты ослабевает, и с данного расстояния возможно считать всас точечным, прилегающим близко к плоскости, а расчеты вести с использованием формулы (26).
В дополнение к представленному фактическому материалу, рассмотрим и сопоставим полученные результаты с результатами ранее проведенных исследований [107], в соответствии с которыми при чистом всасывании грунта с размываемого днища формируется определенное поле скоростей (рис. 34). Моделируя аналогичную ситуацию в CosmoFloWork, получаем строение поля скоростей, приведенное на этом же рисунке. Полученные поля скоростей не сопоставимы, а анализ скоростного поля по ЦНИИС показал, что в представленных эпюрах не соблюдается закон неразрывности потока. На практике это может быть объяснено крайне резкой неравномерностью скоростного поля, но таких выводов сделано не было. Учитывая удовлетворительную сходимость результатов моделирования в COSMOFloWork с результатами экспериментов, в дальнейшем нами рекомендуется использовать этот редактор для анализа гидравлических задач.
Сопоставление полей скоростей по данным измерений в ЦНИИС c данными моделирования в редакторе CosmoFloWork По результатам изучения и моделирования полей скоростей при всасывании можно сделать следующие выводы и рекомендации: расстояние между не размываемым днищем и всасом должно быть минимально возможным обеспечивая при этом проход максимальных по размеру частиц. В случае размываемого днища, процесс всасывания следует проектировать в соответствии с рекомендациями, сделанными ранее другими авторами [107, 177]; скоростное поле, генерируемое при всасывании, неспособно обеспечить полный и качественный вынос грунта со всей площади добычной камеры. Расстояние эффективного выноса ограничивается 25 диаметрами всаса; придонную скорость поля, генерируемого при всасывании, допустимо определять по формуле (26), при условии, что рассматриваемый радиус R в несколько раз больше высоты позиционирования всаса над забоем и диаметра всаса; увеличение диаметра всаса без изменения интенсивности всасывания приводит к некоторому увеличению площади выноса грунта, следовательно использование всасов специальной геометрии (например конического) вполне оправданно.
Исследование процессов массопереноса при смыве горной массы отраженной гидромониторной струей. В результате анализа возможных путей повышения эффективности массопереноса в добычной камере было сделано предположение, что в основе процесса массопереноса в затопленных добычных камерах лежит воздействие гидромониторных струй на дно очистных камер. Гидромониторная струя воздействует на стенку камеры, отражается от нее (по всем направлениям), в результате чего в придонной области формируется некоторый поток, скорость которого вполне достаточна для транспортирования твердого материала к всасу добычного устройства (рис. 36). Для того, чтобы изучить влияние затопленных гидромониторных струй на процесс придонного гидротранспорта и выявить возможности их использования для интенсификации процессов гидротранспорта было проведено исследование с использованием стенда. Исследование производилось по схеме, приведенной на рис. 25, в.
Выполненные исследования включали 2 этапа: изучение воздействия на находящийся в придонной зоне грунт струй с различным начальным динамическим давлением P (0.31.5 МПа), формируемых насадками диаметрами 2.3, 3 и 4 мм. Струи направлялись к стенке скважины под углом 90, 70 и 45 при высоте над забоем соответственно 160, 250 и 340 мм. Исследование производилось на образцах гравия 35 мм, медной крошки и песка. Результаты представлены в прил. 3, № 301350, № 362376; изучение влияния высоты струи над забоем на эффективность смыва образцов и установление эффективной высоты позиционирования гидромонитора над забоем. Результаты представлены в прил. 3, № 351361.
Исследования проводились с параллельным всасыванием грунта. Поток разделялся на гидромониторный и вытесняющий с помощью коммутационной системы. Давление задавалось путем повышения гидравлического сопротивления в линии нагнетания насоса с помощью вентиля. Часть потока (перед вентилем) направлялась к гидромонитору, поток за вентилем направлялся в корпус стенда. Таким образом, суммарная интенсивность всасывания не изменялась. Расход жидкости через гидромониторы контролировался по расходомеру – замерялась разность расходов до создания давления и после.
Гидравлическое моделирование и исследование скоростного поля в придонной области очистного пространства
Считая основными режимными параметрами струи - перепад давления на насадке (динамическое давление струи на выходе из насадки) и расход жидкости через сопло гидромонитора, которые связанны с диаметром и начальной скоростью струи, рассмотрим их влияние на дальность гидромониторного размыва. Используя соотношение (59), проанализируем зависимость для всего рабочего диапазона напоров и расходов.
Из рис. 42 видно, что повышение напора нагнетания и расхода жидкости способствует росту дальности размыва. Чем больше расстояние, тем меньше интенсивность прироста расстояния размыва при изменении режимных параметров. Экстремумов данная зависимость в рабочей зоне не имеет, согласно полученной зависимости, повышение расхода жидкости оказывает большее влияние на радиус размыва, по сравнению с повышением напора. Следует сделать вывод, что в задачах по СГД следует проектировать радиусы размыва порядка 1 м, при этом решать проблему увеличения радиуса размыва целесообразнее за счет повышения расхода рабочей жидкости.
Очевидно, что манипулируя соотношением диаметров колонн - магистралей снаряда СГД, спущенных в скважину, возможно влиять на энергозатратность процессов гидротранспорта. Предполагается, что при определенном соотношении, энергозатраты, связанные с гидродинамическим сопротивлением колонн, будут минимальны.
Для эрлифтного снаряда соотношение диаметров колонн жестко связанны с возможностями эрлифтного подъемника, что значительно ограничивает манипуляции с диаметрами колонн. В эжекторных снарядах работу нагнетательной и пульпоподъемной колонн возможно рассматривать независимо от работы нижнего оголовка снаряда. Поэтому рассмотрение задачи о рациональном соотношении диаметров колонн для эжекторного снаряда возможно и актуально.
Рассмотрим задачу по обеспечению прямой схемы циркуляции жидкости. Толщиной стенок колонн пренебрегаем, а диаметр внутренней - нагнетательной и наружной - пульпоподъемной колонны обозначим соответственно d и D. Оптимальным соотношением диаметров будет такое, которое обеспечит наименьшие энергетические потери, или соответственно наименьшие потери напора. Функцию удельных потерь напора представим следующим образом:
Полагая, что шероховатость стенок нагнетательной колонны в пределах = 0.2 мм; подача жидкости к СГС и выдача пульпы на поверхность равновелики, нисходящий и восходящий поток движутся в турбулентном режиме, выполним анализ функции (99) с целью выявления минимумов. Аналитическое решение этой задачи затруднено сложностью и многокомпонентностью выражения. Численный анализ показал, что подача Q практически не влияет на минимум функции (99), следовательно, параметр Q можно исключить из решения. Это позволяет для актуального диапазона диаметров рабочих колонн D (0400 мм) получить следующую функцию минимумов (рис. 43): d = 0.7D + 8, i(d, D) = min. (100)
Рис. 43. Зависимость оптимального диаметра внутренней колонны труб d от диаметра наружной колонны D при: 1 - подъеме пульпы за счет вытеснения; 2 - при подъеме пульпы эрлифтом и прямой схеме циркуляции жидкости; 3 - при подъеме пульпы эрлифтом с обратной схемой циркуляции жидкости
Однако, вышеизложенное будет верно при работе снаряда только в режиме вытеснения, поскольку нагнетание пульпы в пульпоподъемную магистраль сопровождается значительными потерями энергии в гидроэлеваторе. Поэтому условие максимальной эффективности транспорта необходимо переписать в следующем виде:
В соответствии с выводом, сделанным в главе 2, отсутствие баланса между нагнетанием жидкости в добычную камеру и объемом отсасываемой из камеры пульпы оказывает влияние на статическое давление в добычной камере, следовательно, на коэффициент эжекции, эффективность работы гидромониторной струи и весь технологический процесс в целом. Очевидно, что рассмотренные процессы образуют сложную гидродинамическую систему, требующую анализа. Для изучения влияния фильтрационных процессов на процесс СГД, в соответствии со схемой (рис. 44) построим математическую модель и выполним ее анализ. В соответствии с выводами, сделанными в разделе 4.3, технологический процесс СГД полностью может быть описан системой уравнений 1, которая приведена в табл. 11.
