Физические способы и средства разуплотнения и эрлифтирования рыхлых руд КМА

І/а,

Скважинная гидродобыча (СГД) твердых полезных ископаемых основана на разрушении массива струей и подъема измельченной породы на поверхность струйными насосами или эрлифтом [1].

Добыча полезных ископаемых способом СГД освоена на небольших глубинах (преимущественно до 50 м) рыхлых песков, песчаноглинистых образований в необводненных или в обводненных породах с малыми притоками в выемочные полости, где гидромониторная струя разрушает породу преимущественно в воздушном пространстве или при небольшом погружении. При работе затопленной струи на большую глубину эффективность разрушения пород резко падает, что приводит к необходимости применения сложных гидромониторных снарядов, приближающих сопло к породе.

Исследования действия затопленных гидромониторных струй на забой скважины проводились нефтяниками с целью поиска решений очистки забоя от выбуренной скальной породы при бурении шарошечными долотами и повышения эффективности разрушения рыхлых пород при бурении лопастными долотами [2].

Институтом ВИОГЕМ использованы эти исследования для решения вопросов СГД на больших глубинах для разрушения рыхлых руд на КМА, объем которых на ряде месторождений составляет до 30 % при глубинах залегания от 500 до 1200 м.

К рыхлым рудам, пригодным для скважинной гидродобычи на сегодня условно отнесены руды с плотностью на сжатие до 3 МПа.

Рис. 1. Схема растекания свободной затопленной струи

УДК 622.001

В.П. Петриченко, В.И. Колесников, А.В. Пинчук

ФИЗИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ И СРЕДСТВА

РАЗУПЛОТНЕНИЯ И ЭР-ЛИФТИРОВАНИЯ РЫХЛЫХ РУД КМА

Семинар № 15

На Гостищевском месторождении, где ведутся работы по строительству рудника с добычей руды способом СГД, мощность рыхлых руд составляет около 100 м при общей мощности руды 260 м на глубинах 540-800 м.

Исследования разрушающей способности струи показали, что с увеличением глубины погружения до 400-500 м эффективность ее падает в два-три раза и остается неизменной ниже этой глубины. Кинетическая энергия, сила удара струи и давление на преграду пропорциональны квадрату скорости истечения струи из сопла.

На рис. 1 приведена схема растекания свободной затопленной струи. Она представляет собой ядро постоянных скоростей и конусообразный поток, размеры которых определяются скоростью истечения из сопла и диаметром его. Давление струи на забой зависит от скорости истечения струи и расстояния от сопла.

Расчеты показывают, что при использовании на КМА нефтяных буровых установок типа БУ-75 возможно создание скоростей истечения струи из насадок до 150 м/сек при диаметре насадки 17 мм и 100 м/сек при 20 мм. При этом давление на породу вблизи сопла диаметром 17 мм составит 150 кг/см2 и 155 кг/см2 для сопла 20 мм при подаче на сопло соответственно 90 и 130 м3/ч воды.

На рис. 2 показано изменение давления струи на породу от расстояния до сопла. Из графика следует, что при удалении от 5ё0 до 25(!о давление на породу уменьшилось в 20 раз. На рис. 3 показан график изменения давления струи от расстояния до оси струи. Из графика следует, что давление на преграду при удалении от центра струи резко падает. На окружности 3(!0 оно составляет 10 %, а на окружности Ш„ - 3-5 %.

Из изложенного следует, что дальность разрушения рыхлых руд гидромониторной струей приведенных параметров составляет менее 0,5 м от сопла и необходимо максимальное его приближение к породе.

Исследованиями разрушения горных пород струями установлено, что давление на породу, необходимое для ее разрушения, составляет 2535 % предела на одноосное сжатие при больших глубинах погружения (более 500 м) и 1015 % при малых погружениях (до 25 м), что объясняется давлением среды, совмещением действия удаления струей разрушенной породы, действием среза над углом а отражения струи (рис. 4), разрушающим действием струи

Рис. 2. Изменение давление струи на породу от расстояния

в порах породы. Исходя из этих данных физического воздействия струи на породы, прочности рыхлых руд, способа подвода струи, технических решений гидромониторного снаряда с использованием механического воздействия на место разрушения забоя скважины и воздействия на массив полезного ископаемого, разрабатываются технические устройства разуплотнения руд для гидравлической транспортировки их на поверхность.

Для целей увеличения объема добычи рыхлых руд из скважин на месторождениях КМА в ФГУП ВИОГЕМ разработан гидродобычной снаряд [3], позволяющий создавать камеры заданных параметров в любом интервале пласта на глубинах залегания рыхлых руд на КМА. Гидродобычной снаряд представляет собой (рис. 5) телескопически расположенные в

скважине колонны труб с образованием каналов для подачи воды на гидромонитор, подачи воздуха для эрлифтной системы и подъема полезного ископаемого в виде пульпы (вода-руда-воздух) на поверхность.

При гидродобыче руд на КМА возможны три технологические схемы:

1. одновременное разрупрочнение рыхлых руд и подъем пульпы на поверхность;

2. разупрочнение массива рыхлых руд с магазинированием образующейся измельченной руды в камере ниже создаваемой очередной;

Рис. 3. Изменение давления струи на породу от расстояния до оси струи

3. эрлифтный подъем измельченной руды и применение различных способов физического воздействия на массив с целью его разрушения в ослабленной зоне и за ее пределами и измельчения рыхлой руды.

Разработанная конструкция гидродобычных снарядов позволяет производить эти операции при некотором изменении сборки гидродобычного снаряда - частичном подъеме-спуске телескопически смонтированных в скважине колонн труб.

На рис. 5 представлена одна из компоновок гидродобычного снаряда, включающая пульпоподъемную колонну диаметром 245 мм, внутренний став труб, состоящий из труб диаметром 127 мм в верхней части до глубины установки смесителя воздуха, а ниже трубы диаметром 114 мм с компановкой для бурения наклонных ответвлений и ставом насоснокомпрессорных труб диаметром 48,0 мм в интервале установки труб диаметром 127 мм для подачи воздуха в пульпоподъемную колонну. Гидродобычной снаряд позволяет производить бурение наклонных ответвлений от вертикальной оси скважины на заданное расстояние (рис. 6). В настоящее время нами планируется бурение наклонных ответвлений с отходом от оси скважины до 7-8 м для создания камеры в зоне залегания рыхлых руд до 15 м диаметром, как это предусмотрено в ТЭО на строительство Гостищевского рудника КМА со скважинной гидродобычей.

Создание наклонных ответвлений на определенном интервале пласта рыхлых руд скважинами диаметром от 150 до 500 мм возможно предложенной компоновкой гидродобычного снаряда с применением забойного гидродвигателя (например винтового), оснащенного долотом с эксцентричным расположением гидромониторной струи. Основываясь на опыте бурения скважин нефтяниками в рыхлых породах с применением гидродвигателей и гидромониторных долот можно полагать получение механической скорости бурения по рыхлым рудам до 70-100 м/ч.

Образование сети наклонных скважин в

Рис. 5. Эрлифтный подъем руды при разуплотнении массива

Фя:. 1

массиве рыхлых руд с использованием самооб-рушения их и применением импульсного силового воздействия на массив одним из способов, предложенных ГП «Геосинтез» и получившим применение при интенсификации добычи нефти, газа, воды, позволит обрушить ослабленный массив, получить камеру, заполненную измельченной рудой. Измельченная руда, как

Рис. 6. Способ образования камеры в скважине

показал опыт на Шемраевском месторождении КМА, до 95 % состоит из частиц от долей мм до 12 мм.

Основным способом подъема руды предполагается эрлифтный. Не исключается применение струйных насосов в комбинации с погружными. Эрлифтный способ подъема измельченной породы, песка из скважин широко применяется при бурении скважин на воду и технических скважин большого диаметра с промывкой водой и глинистым раствором. Основным отличием и сложностью применения эрлифтной системы для подъема железной руды является высокая плотность рудной массы, содержащая 65-70 % железа и достигающая 3,5-4 г/см3 при плотности несущего агента (воды или водно-

воздушной смеси) равной единице и меньше.

Условие подъема рудной массы в эрлифт-ной системе рис. 7 выражается формулой:

НвУв > НгУг + (Иф+Ьд+НЖр + ( ЛНгГгв_ ) +

п2я ДП

+ 8 ( ЛщУср(НФ + К + Но)ОСр + У_ + Ур

(Дп - Дв )2( Дп + Дв )2 _9 _?

В формуле левая часть выражает давление столба воды за пульпоподъемной колонной. В правой части составляющие: первое - гидростатическое давление пульпы ниже смесителя; второе - гидростатическое давление пульпы от смесителя до выброса; третье - скоростные потери давления при движении водо-рудной пульпы до смесителя; четвертое - скоростные потери давления при движении пульпы от смесителя до выброса; пятое - скоростные потери давления на всасе пульпы; шестое - скоростные потери давления на выбросе пульпы.

Теоретические расчеты гидродобычных снарядов и эрлифтных подъемников, приведенных выше, показывают, что при прочности рыхлых руд до 3 МПа в условиях Гостищев-ского рудника только за счет создания камер диаметром 15 м и небольших объемов саморазрушения массива возможна добыча руды из одной скважины до 60 тыс. т. Эрлифтная сис-

Рис. 7. Эрлифтный подъем руды

тема при оптимальном диаметре скважины 400 мм позволяет поднимать до 20 т/ч руды. Среднее время на сооружение скважины и работы по подъему руды из одной скважины составит « 1 год.

Предстоит большая работа по промышленному освоению технических средств разуплотнения руды, эрлифтных подъемников, оптимизации режима работы технических средств и оборудования, обеспечивающих надежность процессов применяемой техники и высокие экономические показатели.

1. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. -М.: Изд. МГГУ, 2001. - 655 с.

2. Петриченко В.П., Стрельцов В.И., Колесников В.И., Балашов А.Г. Гидродобычной снаряд. Заявка № 2002134842, 23.12.2002.

Следует отметить, что проводимые работы по опытной гидродобыче рыхлых руд на Шем-раевском участке КМА в 1988-93 г., где было добыто более 80 тыс. т богатой руды, подтвердили возможность этого способа добычи. Но в связи с прекращением работ по вопросам создания технических средств и разработки технологических процессов были только выявлены проблемы, а решение их предстоит при добыче богатых руд на строящемся Гостищев-ском руднике.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Зубарев А.В. Некоторые вопросы нижней прмывки в долоте. - Тр.: ГрозНИИ, вып. 3, Гостонтехиз-дат, 1958.

— Коротко об авторах -----------------------------

Петриченко В.П. - доктор технических наук, ФГУП ВИОГЕМ) Колесников В.И. - кандидат технических наук, ЮНИОН руда. Пинчук А.В. - инженер, Минпромнауки РФ.

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА РАН

БУЛАТОВА Наталья Петровна Пространственно-временное исследование сейсмичности земли 25.00.10 к.ф.-м.н.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г. В. ПЛЕХАНОВА

КУКСА Елена Николаевна Повышение выхода щебеночной продукции за счет изменения параметров взрывного нагружения массива горных пород 25.00.20 к. т. н.