СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DRESSING SOLID MINERALS IN HYDRAULIC MINING BY BOREHOLES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к разделению твердых материалов с помощью жидкостей, а именно к промывке гранулированных, порошкообразных или кусковых материалов с помощью гидравлических классификаторов, и может найти применение для первичного обогащения полезных ископаемых при скважинной гидродобыче (СГД).
Известны гравитационные способы обогащения твердых полезных ископаемых (см., например, В.Н.Шохин и др. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1980 г.; Горная энциклопедия, Том 2, стр.157-160. Изд-во «СЭ», 1986 г. и др.). Сущность указанных способов состоит в разделении минералов по плотности в поле силы тяжести или центробежных сил для отделения пустой породы и получения концентрата. При этом основными факторами разделения при гравитационном обогащении являются динамические и статические воздействия воды, суспензий или воздуха.
Среди гравитационных способов обогащения полезных ископаемых важное место занимает промывка (см., например, В.В.Троицкий. Промывка полезных ископаемых. М.: Недра, 1978 г.; Горная энциклопедия. Том 4, стр.254-255. Изд-во «СЭ», 1989 г. и др.). Промывка - это процесс гравитационного обогащения полезных ископаемых, основанный на удалении примесей, переводе примесей во взвешенное состояние воздействием потока воды и механизмов и отделении полученной массы от зернистого материала. Существует несколько способов промывки, в том числе посредством слива на лотках и желобах, грохочением, скруббированием и т.п. Промывка, а равным способом и другие гравитационные способы, широко используется для обогащения руд черных, цветных, благородных и редких металлов, драгоценных камней, угля, строительных минералов и других полезных ископаемых.
Известен напорный гидравлический транспорт - технологический процесс перемещения твердых материалов, например дезинтегрированных горных пород и полезных ископаемых, песков и песчано-гравийных смесей и др. потоков воды (см., например, Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: 1980 г.; Горная энциклопедия. Том 2, стр.36-37. Изд-во «СЭ», 1986 г. и др.). Его сущность состоит в том, что гидросмесь, т.е. смесь воды и горных пород, транспортируется по трубопроводу при избыточном давлении, создаваемом насосным оборудованием. При этом поток гидросмеси в трубопроводе, как правило, носит турбулентный режим с тем, чтобы обеспечить одинаковую плотность и скорость перемещения потока гидросмеси по всему сечению трубопровода и тем самым избежать осаждения породы в донной части.
При СГД твердых полезных ископаемых напорный гидротранспорт применяется для доставки скважинной продукции, т.е. гидросмеси, состоящей из дезинтегрированных вмещающих горных пород, полезных ископаемых и воды, на карту намыва для складирования или на обогатительную фабрику для дальнейшей переработки (В.Ж.Аренc и др. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1980 г., стр.7-14. Прототип). При этом трубопровод (далее - транспортный пульпопровод) состоит из стандартных труб, вследствие чего напорный поток гидросмеси (далее - пульпы) имеет в поперечном сечении круглую форму.
Основанием для разработки заявляемого изобретения послужили результаты визуальных наблюдений за процессом формирования штабелей намыва циркон-ильменитовых песков при эксплуатации некоторых россыпных месторождений титана, циркония, тантала, ниобия и других редких и редкоземельных металлов способом СГД (Либер Ю.В. Разработка титан-цирконовых песков Тарского месторождения. Горный журнал, 1996 г., №4, стр.12-17; Левченко Е.Н. и др. Технология комплексной переработки редкоземельных песков при добыче способом СГД. Горный журнал, 1996 г., №4, стр.17-19; Бабичев Н.И. и др. Скважинная гидравлическая технология - основа высокоэкономичных малых предприятий по добыче твердых полезных ископаемых. Горный журнал, 1996 г., №4, стр.5-9; Циркон-ильменитовые россыпные месторождения как потенциальный источник развития Западно-Сибирского региона, г. Кемерово, OOO «Сарc», 2001 г., стр.214). Этими наблюдениями была установлена зональность в распределении полезного ископаемого и вмещающих горных пород в массиве штабелей намыва скважинной продукции. В непосредственной близости от конца ствола пульпопровода были сконцентрированы крупнозернистые кварцево-полевошпатовые пески с высоким содержанием темноцветных минералов, в том числе рудных.
Далее по простиранию струи пульпы были сосредоточены среднезернистые и кварцево-полевошпатовые пески с примесью мелких кристаллов темноцветных минералов. Самая удаленная от ствола транспортного пульпопровода часть штабеля состояла из смеси мелкозернистого песка и глинистых частиц. Однако эти зоны не имели достаточно четких границ, так как при падении на штабель струя пульпы имела незначительные размеры по ее простиранию. Это не позволило сделать количественную и качественную оценку распределения полезного ископаемого и горных пород по простиранию струи пульпы при формировании штабелей намыва.
В связи с вышеизложенным была поставлена задача осуществить первичное обогащение полезных ископаемых в условиях добычного полигона СГД, для чего, во-первых, необходимо интенсифицировать процесс дифференциации пульпы по плотности при ее перемещении по пульпопроводу, во-вторых, «растянуть» струю пульпы по ее простиранию, т.е. увеличить длину струи при падении ее на земную поверхность, в-третьих, разделить струю на несколько частей, т.е. потоков, исходя из плотности пульпы и содержания в этих потоках полезного ископаемого, после чего каждый из потоков направить на соответствующую обработку.
Поставленная задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом в транспортном пульпопроводе создают напорный поток пульпы. Согласно изобретению напорному потоку пульпы из выдачной скважины придают в поперечном сечении удлиненную форму, вытянутую по вертикали, и ламинарное течение. После выхода потока из пульпопровода и баллистическом полете струи пульпы ей обеспечивают крутую параболическую траекторию. После этого при падении струи пульпы на земную поверхность ее разделяют на несколько потоков, каждый из которых направляют на обработку известными способами.
ОПИСАНИЕ СПОСОБА
В транспортном пульпопроводе, связывающем выдачную скважину с устройством для первичного обогащения полезного ископаемого классификатором или картой намыва, посредством насосного оборудования создают напорный поток пульпы с ламинарным режимом движения. Ламинарность потока обеспечивается гладкой внутренней поверхностью пульпопровода, равномерной подачей пульпы и снижением давления по длине пульпопровода.
Этот поток в поперечном сечении имеет удлиненную форму, например в виде прямоугольника или эллипса, длинная ось симметрии которого ориентирована вертикально, т.е. совпадает с вектором силы тяжести. Практически это означает, что потоку пульпы придают плоскую форму, совпадающую с плоскостью вектора силы тяжести. При этом ширина и высота потока находятся в соотношении 1:3-5. При такой форме потока с ламинарным характером течения под действием сил гравитации происходит интенсивная дифференциация пульпы по плотности: наиболее тяжелые компоненты пульпы, в том числе рудные минералы, концентрируются в нижней части потока, самые легкие, в частности глинистые с примесью мелкозернистого песка, - в верхней части потока. Плоская, т.е. вытянутая в вертикальном направлении, форма потока обеспечивает большую степень дифференциации твердых частиц и пульпы в целом по их плотности. Излив пульпы в атмосферу производят по крутой баллистической траектории (больше 90°), в частности под углом 40-50° к горизонту. Это соответствует увеличению дальности, а следовательно, времени полета струи пульпы. При полете струи по баллистической траектории процесс дифференциации пульпы по плотности продолжается. При этом следует учитывать и тот факт, что скорость движения нижних слоев потока пульпы вследствие ее высокой плотности и трения твердых частиц между собой и о донную часть пульпопровода значительно ниже, чем вышележащих слоев. Вышеназванные факторы обуславливают увеличение длины потока пульпы по простиранию при падении его на земную поверхность. При этом пульпа, обогащенная тяжелыми частицами металлосодержащей руды и горных пород, выпадает на земную поверхность на начальном участке баллистической траектории, а пульпа, представляющая собой взвесь из легких и мелких частиц, - на конечном ее участке. Это делает возможным посредством улавливающих устройств - классификаторов разделить струю пульпы по плотности на несколько потоков, которые затем посредством гидротранспорта направить на дальнейшую обработку, в частности дообогащение, складирование, утилизацию.
Известен транспортный пульпопровод, связывающий выдачную скважину с картой намыва при СГД полезных ископаемых (В.Ж.Аренc и др. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1980 г., стр.7-4. Прототип). Он состоит из стандартных труб круглого поперечного сечения, скрепленных между собой резьбовыми соединениями, в частности ниппелями или муфтами. На конце пульпопровода закреплен ствол, с помощью которого производится формирование штабеля намыва продукции скважины.
Поставлена задача усовершенствовать конструкцию транспортного пульпопровода, приспособив его, при условии применения дополнительных устройств, для первичного обогащения полезных ископаемых на добычном полигоне СГД.
Поставленная задача решена следующим образом. В соответствии с прототипом устройство для осуществления способа обогащения твердых полезных ископаемых при скважинной гидродобыче включает транспортный пульпопровод, состоящий из соединенных между собой труб. Согласно изобретению на конце пульпопровода закреплена насадка под углом к горизонту, обеспечивающая крутую баллистическую траекторию полета струи пульпы, например под углом 40-50°. По крайне мере конечный участок пульпопровода и насадка имеют щелевидное отверстие, вытянутое в вертикальном направлении. Трубы в пульпопроводе соединены между собой фланцами. По простиранию падения струи пульпы на земную поверхность установлен классификатор, состоящий из улавливающих приспособлений, снабженных гидротранспортными устройствами.
Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - конструкция устройства (вид сбоку),
на фиг.2 - конструкция устройства (вид в плане),
на фиг.3 - поперечное сечение пульпопровода и насадки.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА
Основными узлами устройства являются транспортный пульпопровод и классификатор, снабженный гидротранспортным устройством. Транспортный пульпопровод (фиг.1, 2) состоит из труб 1, скрепленных между собой фланцевыми соединениями 2. Один конец пульпопровода присоединен к штуцеру 3 пульпоподъемной колонны снаряда СГД, другой его конец оснащен насадкой 4, установленной под углом к горизонту, обеспечивающим крутую баллистическую траекторию полета струи, например 40-50°. По крайне мере конечный участок транспортного пульпопровода (при большой его протяженности), включая насадку 4, состоит из труб с щелевидным отверстием, вытянутым по вертикали, т.е. в направлении вектора силы тяжести. Это отверстие может иметь прямоугольную (фиг.3), эллипсовидную или иную форму. Ширина и высота отверстия соотносятся между собой как 1:3-5. Площадь поперечного сечения отверстия, а также его ширина и высота подбираются опытным путем исходя из производительности скважины, состава пульпы, степени дезинтеграции полезного ископаемого и вмещающих пород и других факторов. По простиранию падения струи пульпы на земную поверхность установлен классификатор 5. Он представляет собой улавливающие устройство 6 в виде лотков, бункеров или емкостей, расположенных в ряд. Улавливающие устройства снабжены гидротранспортными средствами 7.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
3
3
Работа устройства рассмотрена на примере разработки способом СГД Туганского и Георгиевского титан-цирконовых россыпных месторождений Томской области. По плотности рудные пески этих месторождений можно разделить на две фракции - тяжелую (плотность - 4,5-4,65 г/см) и легкую (плотность 2,5-2,65 г/см). Тяжелая фракция представлена, в основном, металлосодержащими (рудными) минералами, в частности ильменитом, цирконом, лейкоксеном и некоторыми другими. Легкая фракция состоит преимущественно из кварцево-полевошпатового песка и каолина. Содержание титановых минералов в песках составляет 1,64-2,32%, циркона - 0,68-0,79%.
При перемещении потока пульпы по трубам пульпопровода (фиг.1, 2) под действием силы тяжести происходит гравитационное разделение твердых частиц пульпы, т.е. полезного ископаемого и вмещающих пород, по плотности и гранулометрическому составу. Частицы ильменита, лейкоксена и циркона, а также крупнозернистый песок сосредотачиваются в донной части транспортного пульпопровода, среднезернистый песок с примесью мелких частиц рудных минералов занимает среднюю часть пульпопровода, а глинистая суспензия, обогащенная мелкозернистым песком, - верхнюю часть пульпопровода (фиг.3). Этому способствуют два фактора. Первый из них - ламинарный режим движения пульпы, который достигается благодаря отсутствию в пульпопроводе соединительных ниппелей или муфт, которые вызывают образование турбулентных вихрей, а также равномерной подачи пульпы насосным оборудованием, что исключает разрыв сплошности струй потока. Второй фактор - щелевидная форма отверстия пульпопровода (фиг.3), а равным образом и насадки 4, вытянутая по вертикали, т.е. в направлении вектора силы тяжести. Это делает возможным получить более четкие границы между фракциями зерен полезного ископаемого и вмещающих горных пород, а также между слоями пульпы по их плотности.
При выходе пульпы из насадки под углом более 20°, например 40-50°, ее струя 8 движется по довольно крутой баллистической траектории. Благодаря этому времени полета струи достаточно, чтобы процесс дифференциации пульпы и твердых частиц, начавшийся в пульпопроводе, продолжился при движении струи по баллистической траектории. При этом струя вытягивается по простиранию: сначала на поверхность выпадает пульпа, содержащая тяжелую фракцию - зерна ильменита, циркона и лейкоксена в смеси с крупнозернистым кварцево-полевошпатовым песком, затем среднезернистый песок с примесью мелких кристаллов рудных минералов и наконец - глинистая эмульсия, содержащая мелкозернистый песок. Каждая из этих фракций улавливается соответствующим элементом в классификаторе 5, после чего посредством гидротранспортного устройства направляется на дальнейшую обработку, в частности на дообогащение, складирование, утилизацию.
Следует заметить, что изобретения предполагается использовать при освоении уникального по запасам и содержанию металла Бакчарского железорудного месторождения в Томской области.
Технический результат изобретения - осуществление процесса первичного обогащения полезных ископаемых на добычном полигоне при разработке месторождений способом СГД.