Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и постановка задачи исследования.
1.1 Современное состояние скважинной гидротехнологии (СГТ) при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых 8
1.2 Технологические аспекты освоения плывунных титан-циркониевых месторождений способом скважинной гидротехнологии 19
1.3 Разработка структуры скважинной гидротехнологии и обоснование комплексного решения задачи..: 24
1.4 Цель и постановка задачи исследования 31
Глава 2. Обоснование струеформирования при скважинной гидротехнологии в затопленньгх очистных камерах .
2.1 Исследование распространения затопленных гидромониторных струй 33
2.2 Исследование производительности скважинной гидротехнологии во взаимосвязи с возможностью эрлифтного подъема 50
2.3 Конструктивные особенности гидромониторной секции гидродобычного агрегата при крупнообъемном опробовании плывунных титан-циркониевых песков 72
Выводы 85
Глава 3. Обоснование физической сущности процесса эрлифтирования и разработка концепции оптимизации гидроподъема с глубин 50-55 м.
3.1. Анализ гидродинамики газожидкостных трехфазных смесей 86
3.2 Экспериментальные исследования эрлифтного подъема с учетом процесса всасывания 90
3.3 Обоснование предельно-допустимой плотности гидросмеси в технологии эрлифтного подъема плывунных титан-циркониевых песков 103
Выводы 110
Глава 4. Методические основы расчета процессов скважинной гидротехнологии плывунных титан-циркониевых песков .
4.1 Обоснование необходимости гидроразмыва при скважинной гидротехнологии плывунных титан-циркониевых песков 111
4.2 Транспортирующая способность всасываемого потока гидросмеси в процессе пульпоприготовления 117
4.3 Расчетные эксплуатационные характеристики эрлифта по воде и гидросмеси 123
Выводы 134
Заключение 135
Литература 137
Приложения.
Приложение 1 147
Приложение 2 148
Приложение 3 149
- Технологические аспекты освоения плывунных титан-циркониевых месторождений способом скважинной гидротехнологии
- Исследование производительности скважинной гидротехнологии во взаимосвязи с возможностью эрлифтного подъема
- Экспериментальные исследования эрлифтного подъема с учетом процесса всасывания
- Транспортирующая способность всасываемого потока гидросмеси в процессе пульпоприготовления
Введение к работе
В основу постановки задач и проведения аналитических исследований, составивших содержание данной диссертации, легли работы отечественных и зарубежных исследователей в области разработки технологии и технических средств для геологоразведочных и геотехнологических работ: Аренса В.Ж., Алексеева В.В., Бабичева Н.И., Башкатова Д.Н., Бадаева В.А., Брюховецкого О.С., Бубиса Ю.В., Грабчака Л.Г., Дробаденко В.П., Калинина А.Г., Калинина И.С., Козловского Е.А., Колесникова В.И., Колибаба В.Л., Лобанова Д.П., Малухина Н.Г, Мучника B.C., Неберы В.П., Соловьева Н.В., Тигунова Л.П., Хчеяна Г.Х. , Хрулева А.С., Чернея Э.И., Ялтанца И.М. и многих других.
Крупно объемное опробование, является важнейшим этапом, предшествующим освоению месторождения. Целью получения крупных проб минерального сырья (100-500 т.), является установление исходных данных для уточнения технологических типов и сортов руд, оценка в полупромышленных условиях возможных технологических схем переработки минерального сырья, обоснование постоянных кондиций на оконтуривание месторождения, а также оценка эффективности применяемых технологий и надежности работы оборудования [97].
Во многих случаях крупно объемное опробование традиционными способами ограничивается сложно структурными условиями залегания минерально-сырьевых ресурсов (обводненность месторождения, а также залегание под водоемами), что увеличивает стоимость горно-разведочных работ.
Осадочные месторождения титан-циркониевых песков России представлены, как правило, погребенными россыпями, залегающими нередко на значительной глубине от поверхности, в сложных гидрогеологических условиях, что создает соответствующие трудности их крупнообъемного опробования и промышленного освоения.
В этих условиях необходимо использовать нетрадиционные способы, в частности скважинную гидротехнологию (СГТ), основанную на гидродинамическом процессе переведения руд и пород в состояние гидросмеси, подъем ее на поверхность с помощью эрлифта, гидроэлеватора или комбинированным способом гидроэлеватор-эрлифт и транспортировании ее через скважины на поверхность земли, в горные выработки или плавсредства [7,13, 67].
Одним из способов СГТ, позволяющим проводить работы по крупнообъемному технологическому опробованию является способ скважинной гидродобычи (СГД).
В последнее время накоплен определенный опыт по освоению месторождений полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи.
Однако для широкого внедрения способа скважинной гидротехнологии в промышленное производство необходимы четкие, научно обоснованные технические и технологические рекомендации по управлению технологическими процессами.
В связи с этим в работе рассматриваются актуальные вопросы, связанные с повышением эффективности технологических процессов скважинной гидротехнологии, направленные на обоснование применения данного способа при освоении плывунных титан-циркониевых месторождений.
Цель работы. Повышение эффективности геологоразведочных работ по скважинному крупно объемному опробованию за счет интенсификации очистных процессов плывунных титан-циркониевых песков на основе создания условий их оптимальной транспортабельности в плоскости всасывания эрлифта.
Основная идея работы заключается в создании условий гидровзвешивания твердого материала в плоскости всасывания эрлифта в режиме его максимального коэффициента полезного действия и максимальной производительности.
Основные задачи исследований:
1. Обоснование и совершенствование процесса струе формирования затопленных гидромониторных струй в песках плывунного состояния.
2. Исследование процесса пульпоприготовления на основе гидровзвешивания слоя песков в зоне всасывания эрлифта.
3. Обоснование управляемого псевдоожижения песков в плоскости всасывания, с учетом их разуплотненности.
4. Проведение экспериментальных исследований эрлифтного подъема для установления производительности эрлифта в зависимости от диаметра подъемной трубы и коэффициента погружения смесителя эрлифта при работе по воде и гидросмеси.
5. Прогнозирование эксплуатационных технологических параметров эрлифтного подъема:
-исследование максимального режима работы эрлифта, как по производительности, так и по расходу воздуха;
-выявление и исследование опытно-аналитической связи оптимального и максимального режима работы эрлифта;
-установление существования границы оптимального режима работы эрлифта.
6. Разработка методических основ расчета процессов СГТ плывунных титан циркониевых песков.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы, инженерный анализ и обобщение результатов экспериментальных и опытно-промышленных работ, аналитическое обоснование параметров технологических процессов.
Основные научные положения, защищаемые в диссертации:
1. Производительность гидродобычного агрегата должна определяться процессом гидровзвешивания твердого при условии соответствия текущих средних скоростей струи в плоскости всасывания и гидравлической крупности твердого в объеме гидросмеси.
2. Процесс пульпоприготовления в плоскости всасывания гидросмеси характеризуется ее вязкостью, плотностью, критериями подобия Архимеда и Рейнольдса (Ar, Re) взаимоувязанными с гидравлической крупностью, корректируемой вводом единственной константы, для частиц диаметром меньше З мм.
3. Производительность эрлифта по твердожидкостному соотношению должна определяться необходимым расходом воздуха, диаметром подъемного трубопровода эрлифта при показателе степени 2,6 , величиной погружения смесителя при показателе степени 1,55 и абсолютной длины эрлифта.
Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований, а так же достаточной сходимостью их результатов. Разработанные методы и рекомендации подтверждены проверкой в производственных условиях.
Научная новизна результатов работы:
1. Установлена аналитическая зависимость в критериальной форме чисел Архимеда (Аг) и Рейнольдса (Re) взаимоувязанная с гидравлической крупностью частиц.
2. Получены аналитические зависимости производительности эрлифта с учетом его диаметра, длины, коэффициента погружения смесителя и необходимым расходом воздуха.
3. Выявлена аналитическая зависимость, связывающая режим работы эрлифта с максимальным коэффициентом полезного действия и максимальной производительностью.
Научное значение работы заключается в разработке принципов и научного обоснования эрлифтного подъема при управлении процессом всасывания в плывунных титан-циркониевых песках.
Практическая ценность работы состоит в определении технологических и технических параметров скважинного гидроагрегата при скважинной гидротехнологии плывунных титан-циркониевых песков для погребенных осадочных (россыпных) месторождений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях преподавателей, аспирантов и студентов РГГУ и МГГУ («Неделя горняка») в 2007-2008 г.
Реализация результатов работы. Эффективность предлагаемой технологии крупно объемного опробования и попутной добычи титан-циркониевых песков были подтверждены опытно-промышленными работами по скважинной гидротехнологии (СГТ) на Тарском месторождении. Кроме того, результаты работы использованы при разработке технологического регламента на проектирование ГРР по освоению Тарского титан-циркониевого месторождения способом СГТ. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе в рамках курсов: «Скважинная гидродобыча», «Проектирование и эксплуатация скважинных комплексов».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные статьи, в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.
Технологические аспекты освоения плывунных титан-циркониевых месторождений способом скважинной гидротехнологии
В 80-е годы СССР по выпуску губчатого титана занимал первое место в мире, выпуская его около 80 тыс.т, в 4 раза больше чем США. В титановой промышленности, как ни в одной другой, существовала сложная схема кооперативных поставок. Добыча и обогащение титан-циркониевых песков были полностью сосредоточены на Украине, производство титановых шлаков — на заводах России и Украины. Производство титановой губки осуществлялось в России на Березняковском титано-магниевом комбинате — 40%, в Казахстане на Усть-Каменогорском титано-магниевом комбинате - 40%, на Украине на Запорожском титано-магниевом комбинате — 20%. Производство титановых слитков и проката в большей мере было сосредоточено в России на Верхнесалдинском МПО (90%) [53,75].
В связи с распадом СССР основные промышленные источники титана и циркония оказались за рубежом (Украина). Россыпные месторождения России представлены, как правило, погребенными россыпями мезо-кайнозойского возраста, залегающими нередко на значительной глубине от поверхности, что создает более сложные горнотехнические условия их разработки и увеличивает себестоимость товарных концентратов. Поэтому, несмотря на наличие в России крупных россыпных месторождений, иногда не уступающих мировым по содержанию полезных компонентов, они до настоящего времени не осваиваются, а концентраты минералов титана и циркония в полном объеме импортируются.
В России большая часть титанового сырья направляется на производство металла для авиации и машиностроения. За счет собственного производства потребности России в титановом и циркониевом сырье удовлетворяются не более чем на 2-3%. В России имеется несколько россыпных месторождений с разведанными запасами, которые в случае освоения могли бы обеспечивать внутреннюю потребность в течение десятков лет. Это Лукояновское в Нижегородской обл., Центральное в Тамбовской обл., Туганское в Томской обл., Тарское и Ордынское в Омской обл. Повышение инвестиционной привлекательности вовлечения в разработку отечественных титан-циркониевых россыпных месторождений может решаться по двум направлениям: 1. Поисками богатых россыпей. 2. Совершенствованием технологии их освоения. Результаты прогнозно-поисковых работ, проведенных на титан-циркониевых россыпях в последние годы, показали невысокую перспективность первого направления. Поэтому главным средством повышения экономической эффективности освоения российских месторождений следует признать улучшение технологических показателей добычи.
Горная промьппленность характеризуется высокой фондоемкостью, зависимостью экономических показателей от горно-геологических факторов, длительностью и низким уровнем окупаемости инвестиций, высоким уровнем травматизма, низкой конкурентоспособностью товарной руды. Эти черты горной промышленности, а также высокая интенсивность эксплуатации природных ресурсов и большая экологическая нагрузка на окружающую среду при разработке открытым и подземным способами требуют применения новых технологических решений путем создания новых технологий освоения месторождений полезных ископаемых [45].
Применение нового гидротехнологического способа при освоении сложноструктурных месторождений сократит капитальные затраты и ускорит в 2-3 раза сроки строительства и ввода в эксплуатацию месторождения за счет исключения специальных горноподготовительных работ присущим традиционным способам. Согласно расчетам институтов ВИМС и Гипромез, добыча природно-богатых руд КМА новым геотехнологическим способом дешевле в 5-7 раз, чем шахтным, и в 2-3 раза, чем открытым способом [47] (Таблица 1.1). Таблица №1 Сопоставление основных технико-экономических показателей подземной добычи и СГД богатых железных руд.
Опытно-промышленное освоение месторождения или его части способом СГТ может проводиться как в процессе подготовки месторождения к эксплуатации (до начала его промышленной разработки), так и в процессе добычи полезного ископаемого, что обеспечит значительное ускорение сроков ввода месторождения в эксплуатацию.
В процессе освоения титан-циркониевых месторождений уменьшаются материальные затраты на первичное обогащение, так как качество рудного продукта, получаемого способом СГТ, имеет существенное отличие от продуктов, полученных традиционными способами добычи. Частично или полностью разрушенная руда поднимается на поверхность в виде пульпы, что позволяет сразу направить ее по пульпопроводам на установки разделения, минуя цеха дробления и дезинтеграции. В ходе гидродобычи идет практически непрерывный процесс дезинтегрирования и обогащения руды на всех стадиях: в процессе гидротранспортирования на поверхность, в пульпопроводах, на карте намыва за счет выноса глинистых и илистых фракций в нижнюю их часть.[11,96].
При освоении месторождений способом СГТ снижается в 5-6 раз вредное воздействие производства на окружающие природные ресурсы в районе ведения работ. Отсутствие вскрышных работ позволяет сохранить в целости культурный слой почвы, минимально воздействовать на режим поверхностных и подземных вод. Затраты на рекультивацию поверхности после СГТ незначительны, так как они сводятся в основном к ликвидации разведочных и добычных скважин. Отсутствие взрывных и погрузочных работ, автомобильного транспорта практически исключает запыленность и загазованность атмосферы и полностью снимает вопрос вентиляции, как при разработке месторождения глубокими карьерами или шахтами. Гидравлическая закладка отходами обогащения отработанных камер существенно уменьшает объем хвостохранилищ, являющихся источником запыленности и загазованности окружающей среды: почвы, воздуха и воды [5]. Сопоставимый анализ влияния различных способов освоения месторождений, на ресурсы геологической среды, включая опыт работы СГТ, показывает, что технология СГТ оказывает значительно меньшее, по сравнению с традиционными технологиями, негативное воздействие на природные ресурсы [94].
Исследование производительности скважинной гидротехнологии во взаимосвязи с возможностью эрлифтного подъема
Исследованное нами в предыдущей главе взаимодействие затопленной осесимметричной струи с породным массивом показало невозможность применения затопленных струй для эффективного размыва пород забоя. Поэтому нами поставлена задача исследовать целесообразность использования торцевого размыва песков для их эффективного гидровзвешивания напорной струей воды в процессе управления процессом пульпоприготовления и всасывания. Для месторождений, где уровень подземных вод находится в непосредственной близости от поверхности земли, единственным способом подъема полезного ископаемого на поверхность является эрлифт. Производительность эрлифтного подъема зависит от концентрации твердого в гидросмеси. В свою очередь концентрация твердого определяет процесс пульпоприготовления и всасывания. Гидравлическая затопленная осесимметричная струя имеет определенную конечную сферу действия. Струйный водяной поток, попадая в зону всасывания, с одной стороны разуплотняет твердое (переводя его в подвижное состояние), но с другой стороны - разжижает гидросмесь.
При СГТ основной технологический прием свободного всасывания - подать в подъемный трубопровод образовавшуюся при гидроразмыве гидросмесь. Несущей средой при этом является вода, а транспортируемым материалом куски твердого различного геометрического размера и формы, то есть имеющие различную гидравлическую крупность.
Закономерности падения частиц в жидкости имеют важное значение для расчета процесса гидроподъема. Основным вопросом при этом является определение скорости падения частиц. В процессе СГТ происходит совместный подъем частиц различной крзшности, плотности, формы. Каждый из указанных параметров оказывает влияние на скорость подъема частиц. Большое значение имеет и взаимное влияние частиц, особенно заметное при больших концентрациях [57].
На единичную частицу твердого в потоке жидкости действуют силы: лобового сопротивления, сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда. Составив баланс этих сил, и приведя уравнение к скорости, исследователи получили выражение для расчета гидравлической крупности одиночной частицы при свободном падении [37,43,58].
Выражение (2.28) является основополагающей расчетной формулой, оценивающей транспортирующую способность потока. Более тщательные исследования показали, что коэффициент лобового сопротивления зависит от числа Рейнольдса (Re), т.е. от режима, в котором движется частица. Среди исследователей возникла неопределенность в расчете гидравлической крупности. Чтобы рассчитать скорость потока, необходимую для перемещения частицы, надо знать величину коэффициента лобового сопротивления у/, который в свою очередь зависит от числа Re, что также является функцией скорости где
Данный метод позволяет преодолеть неявный вид выражения скорости. Однако он остался графическим и основанным на опытных данных, что не позволяет в полной мере использовать его в расчетах процесса всасывания и гидроподъема при скважинной гидротехнологии.
Наиболее удачным является метод математической интерполяции, предложенный в начале 50-х годов Р.Б Розенбаум [84] где используется соотношение между критериями Рейнольдса и Архимеда.
Сравнительный анализ графических данных (рис.2.10), построенных по формулам (2.40), (2.42), (2.43) показывает, что кривая, построенная по зависимости Р.Б. Розенбаум (2.40) в переходной области (l Re 500) до значений числа 100 Re дает завышенные результаты примерно на 6%. Далее при значениях числа Re » 200 она пересекает кривую экспериментальных данных и далее в турбулентной области дает заниженные результаты с максимальной относительной ошибкой 13%. Расчеты произведенные по зависимости (2.42) в переходной области дают относительную ошибку 7,5%. Наиболее близкие результаты к опытным данным, в том же интервале чисел Рейнольдса, получаются при использовании зависимости (2.43), относительная ошибка в этом случае составляет 5,5%. Таким образом, проведенный сравнительный анализ формул (2.40), (2.42), (2.43) с опытными данными, представленными графически на рис.2.10 и таблице №3 показывает, что зависимость (2.43) предложенная автором значительно лучше описывает результаты опытов и может быть рекомендована как основная расчетная формула для определения гидравлической крупности при свободном падении, представленное в критериальной форме чисел Архимеда и Рейнольдса. Таблица №3 Опытные и расчетные значения Re по формулам (2.40), (2.42), (2.43)
В условиях скважинной гидротехнологии процессы всасывания и гидроподъема проходят при массовом движении частиц в определенном объеме гидросмеси, т.е. частица находится во взаимодействии с другими частицами.
При стесненном падении на отдельную частицу действуют те же силы, что и при свободном: гравитационная, подъемная, гидродинамические силы сопротивления (равнодействующая сил трения и давления). Однако значение указанных сил будет иным, чем при свободном падении.
Для процесса СГТ характерно движение массы зерен в подъемном трубопроводе, размер которого на несколько порядков больше размера поднимаемых частиц. Влияние стенок на стесненное падение частиц в таком трубопроводе значительно меньше, чем влияние соседних частиц. В связи с широким применением стесненное падение послужило объектом многочисленных исследований. За последнее десятилетие опубликовано большое количество работ [23,34,52,59,60,80,82,87,95], в которых освещены вопросы стесненного падения частиц.
Экспериментальные исследования эрлифтного подъема с учетом процесса всасывания
Основные узлы стенда включают: базовую емкость (1) смонтированную на специально оборудованной площадке с патрубком аварийного спуска воды (или гидросмеси) (9) с запорной арматурой. Подъемной трубы эрлифта (2) в верхней части, соединенную с воздухоотделителем (4) и двумя сливными бокового расположения патрубками: одним (10) для рециркуляции воды (гидросмеси) при установившейся работе эрлифтного подъема, а другого (11) для замера производительности эрлифта по воде, по твердому и гидросмеси объемно-весовым способом. Периодический процесс объемно-весового взвешивания осуществляется на весах (12) с помощью мерного сосуда (13). Отсечение (быстрое перекрывание-открывание) потока жидкости в сливном (10) и мерном (11) патрубке производится с использованием шиберных заслонок (14). Слив воды (гидросмеси) из мерного сосуда (13) осуществляется посредством патрубка (15) с краном (16).
С целью уменьшения турбулизации жидкости в базовой емкости (1), сливной патрубок (10) оборудован шлангом (17), длиной соизмеримой с высотой емкости (1). Для более быстрого освобождения мерного сосуда (13) от жидкости (после завершения замера производительности эрлифта), сливной патрубок (15) также обеспечен шлангом (для создания эффекта сифона при изливе). Регулирование расхода воздуха по шлангам осуществляется кранами. Цель экспериментальных исследований состояла в установлении эффективности использования технологии эрлифтного подъема с учетом процесса всасывания. Основные задачи исследований: -установление расходных параметров рабочего агента (воздуха) в соответствии с количеством поднимаемой жидкости; -оценка влияния напорных параметров транспортируемой жидкости у смесителя эрлифта на его производительность; -обоснование относительных и абсолютных геометрических параметров эрлифтной установки и степени их влияния на производительность эрлифта; -обоснование характерных режимов работы эрлифта: режим максимального коэффициента полезного действия и режим максимальной производительности; -влияние особенностей работы эрлифта на гидросмеси; -установление взаимосвязи эффективности эрлифтного подъема по гидросмеси и процессом всасывания. Основные опытно-аналитические разработки эрлифтного подъема были апробированы и расширены в результате анализа опытных исследований других авторов.
В цилиндрической емкости (1) диаметром 500 мм размещена эрлифтная подъемная труба (2) высотой Н=3,2 м и внутренним диаметром D=70 мм. Нижняя часть эрлифтной трубы оборудована смесителем (3) (для ввода воздуха), а верхняя - воздухоотделителем (4) в виде дугового сита (на схеме стенда воздухоотделитель показан в упрощенном виде).
Воздух к смесителю подается по шлангу d=25,4 мм от двух компрессоров К-2 (5) с суммарным расходом Vi=l,26 м /мин. и одного компрессора DK-9 (6) с расходом V2=9 м /мин. Каждый компрессор оборудован расходомерами (ротаметрами и дифференциальными манометрами (7)). Причем система кранов (8) позволяет подавать сжатый воздух от каждого компрессора индивидуально или при всех одновременно работающих. Опыты производились в следующей последовательности. Устанавливались следующие уровни жидкости в базовой емкости (1) с помощью гибкого поплавкового датчика (18) и подпиточного патрубка (20): h=0,5 м, h=l м, h=l,5 м, h=2 м, h=2,5 м. Также уровни затопления смесителя эрлифта соответствовали следующим коэффициентам погружения: а=0,156; а=0,31; а=0,47; а=0,625; а=0,78.
При определенном уровне жидкости в базовой емкости (1) производилась подача воздуха в смеситель (19) и после установившейся работы эрлифтного подъема (по рециркуляционному контуру: подъемная труба эрлифта — сливной патрубок (10) со шлангом (17) осуществляется замер производительности эрлифта по воде для определенного расхода воздуха и затопления смесителя. Для этого закрывался шибер (14) на сливном патрубке (10) и открывался на замерном (11). По времени заполнения мерного сосуда (13) определялась производительность эрлифта. После чего, шиберы (14) снова возвращались в исходное положение — в режим рециркуляции, а из мерного сосуда (13) (объемом 25 л) сливалась вода через патрубок (16). Замеры производительности эрлифта в таком режиме повторялись 3 раза, и выбиралось среднее значение. При грубом промахе в замере, опыты повторялись дополнительно.
После чего, изменялся расход воздуха, и вся процедура замеров осуществлялась подобно вышеописанной. При достижении максимальной производительности эрлифта (последующее увеличение расхода воздуха приводило к уменьшению производительности), опыты прекращались (выключался компрессор). Через подпиточный патрубок (20) в базовую емкость (1) подавалась вода до уровня абсолютной глубины погружения смесителя, в частности с h=0,5 м до h=l м и после включения компрессоров производились в той же последовательности.
Исследования эрлифтного подъема проводились для четырех значений объемной концентрации гидросмеси в рециркуляционном контуре эрлифта: S=0,025; S=0,05; S=0,075; S=0,01 при соответствующей плотности по песчано-гравийной смеси: рп=1041 кг/м3; рп=1082 кг/м3; рп—1124 кг/м3; рп=П65 кг/м3.
Транспортирующая способность всасываемого потока гидросмеси в процессе пульпоприготовления
Одним из основных технологических процессов скважинной гидротехнологии является процесс пульпоприготовления и всасывания. В то же время одним из слабых узлов использующихся гидродобычных агрегатов является отсутствие устройств, управляющих поступление во всасывающее отверстие твердого и недостаточная зона захвата последнего. В результате происходит заполнение зумпфа подъемного аппарата (в частности эрлифта) твердым и аварийная обстановка при всасывании, т.к. в эрлифт поступает только вода без твердого. Все это вызывает необходимость комплексного решения вопроса схемы отработки продуктивного массива, доставки размытого твердого к зумпфу эрлифта, создание подвижного состояния горной массы, окружающей всас (псевдоожижение-пульпоприготовление), с учетом заданной (или планируемой) производительностью эрлифта по горной массе. Процесс всасывания при скважинном крупнообъемном опробовании коренным образом отличается от всасывания из-под воды грунтонасосами, землесосами или Песковыми насосами. Так, всасываемый материал сразу восполняется новым за счет перемещения земснаряда (например, добыча в водоемах песчано-гравийного материала) или постоянном подгребании твердого бульдозером, например, в зумпф всасывающего устройства (работа гидроэлеваторов при разработке россыпей). Эксплуатация морских земснарядов или эрлифтов так же связана с постоянным перемещением к всасу материала специальными устройствами или технологическими приемами, связанными с горизонтальным перемещением (скреперование, волочащийся по дну всас и т.д.)
Свободное всасывание, как правило, происходит при неправильно выбранной технологии отработки продуктивного массива - «снизу вверх». В этом случае плоскость всасывания эрлифта всегда находится выше уровня горной массы (рис. 4.3 а). Плоскость наибольших величин всасывающих скоростей как-бы «убегает» от плоскости расположения горной массы.
При этом сила всасываемого скоростного потока FCK направлена горизонтально плоскости расположения твердого, а сила тяжести частицы Р направлена вертикально, т.е. под углом 90 к силе всасываемого потока (рис. 4.3 а). Практика показывает, что поднять частицу (оторвать от плоскости) при таком расположении сил взаимодействия крайне сложно уже при ее диаметре dr 3 мм, т.е. при свободном всасывании можно перемещать только мелкодисперсные частицы.
Это обстоятельство подтверждают и все расчетные выражения при гидротранспорте по трубам. Где также сила скоростного потока и сила тяжести частицы не имеют результирующую силу. Поэтому в расчетном выражении для критических скоростей (минимально возможная скорость трогания частицы) при горизонтальном гидротранспорте для мелкодисперсных частиц (dn, 3 мм) присутствует их диаметр, U A aS-Un-gP (4.4) а для грубодисперсных частиц (dn, 3 мм), диаметр отсутствует [31,91] UKp=A2 aSgD (4.5) Это свидетельствует о том, что твердые частицы, диаметром drB 3 -5 мм (в зависимости от их плотности) транспортируется по трубопроводу перекатыванием, но от дна не отрывается (такое обстоятельство подтверждено многолетней практикой гидротранспорта в России и за рубежом).
Для того, чтобы частицу поднять необходимо зону всасывания обеспечить механическими или гидравлическими рыхлителями (взвешивающие частицу во всасывающем потоке). Механические рыхлители рассмотрим позже, а гидравлическое рыхление горной массы (псевдоожижение) вокруг всасывающего отверстия можно эффективно использовать при работе эрлифтной подъемной трубы, погруженной в слой горной массы (рис. 4.3 б) (режим всасывания «из-под слоя»). При этом всасываемый поток, прежде чем он поступит в эрлифтную трубу должен профильтроваться через слой горной массы. Причем, скорость фильтрационного потока, значительно больше скорости потока при свободном всасывании (рис. 4.3 а), с одной стороны. И сила фильтрационного потока воздействует на частицу со всех сторон, в том числе и соосно с силой веса частицы, тем самым взвешивая ее (что невозможно при свободном всасывании). Увеличивая производительность эрлифта по воде, тем самым повышаются скорости фильтрационного потока от ламинарного режима через турбулентный до разрушающих скоростей фильтрации (фильтрационному потоку ставится «тесно» в паровых каналах горной массы, которые расширяются потоком, т.е. горная масса гидровзвешивается).
Сравнивая расчетные выражения скоростей трогания для горизонтального перемещения частиц (4.4) и (4.5) Л5Щ и для вертикального (4.6) и (4.7) заметим, что критические скорости трогания при горизонтальном воздействии всасывающего потока на частицу повышаются с увеличением содержания горной массы S. При вертикальном движении всасываемого потока, процесс гидровзвешивания (псевдоожижения) начинается при меньших скоростях с содержания горной массы вокруг всасывающего наконечника ((4.6) и (4.7)).
Частица песка при взаимодействии с потоком жидкости характеризуется ее гидравлической крупностью, т.е. скоростью падения твердого в воде. Ранее было показано, что гидравлическая крупность при падении одиночной частицы, определяется по выражению (4.6), а при движении твердого в объеме гидросмеси — по выражению (4.7). Необходимые скорости потока для подъема одиночных частиц vCB и при их стесненном падении vCT показаны в таблице 13 и на рис. 4.6, рис. 4.7, рис. 4.8, рис. 4.9 и рис. 4.10 и должны быть не менее 2 м/с.
