Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности гидроразмыва при скважинной гидродобыче разуплотненных руд КМА

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности гидроразмыва при скважинной гидродобыче разуплотненных руд КМА"

На правах рукописи

003464023

ПИНЧУК Алексей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОРАЗМЫВА ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ РАЗУПЛОТНЕННЫХ РУД КМА

специальность 25.00.22 «геотехнология (подземная, открытая и строительная)».

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандитата технических наук

МОСКВА 2009г.

003464923

Диссертация выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Маркелов Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится «23» апреля 2009г. в !53(,час. на заседании диссертационного совета 212.121.08 в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом 23 в аудитории 6-87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ. Автореферат разослан «20 » марта 2009г.

Хрулев Александр Сергеевич

кандидат технических наук Бадаев Вячеслав Анатольевич

Ведущее предприятие:

ОАО «ГИРЕДМЕТ» г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета

гобаев Е.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В условиях перехода страны на рыночные отношения с одновременным соблюдением эколого-социально-экономических требований к производству - научное обоснование и широкое внедрение нетрадиционных способов отработки железосодержащих массивов в сложных горно-геологических условиях представляет важную государственную задачу.

Анализ состояния железорудной базы черной металлургии России показывает, что обеспечение ее железорудным сырьем в ближайшей перспективе может столкнуться со значительными трудностями, связанными как с недостатком средств на поддержание существующего уровня добычи, так и с их увеличением в связи с ухудшением условий разработки месторождений. Кроме этого, затраты на добычу и подготовку металлургического сырья, в силу природных особенностей разрабатываемых в стране месторождений в 1,5+2 раза превышает затраты основных рудодобывающих стран: Австралии, Бразилии, Швеции, Индии и пр. Эти страны, формирующие цены мирового рынка на железорудное сырье, разрабатывают месторождения с лучшими, чем в России, горно-геологическими условиями. Так, содержание железа в рудах в 1,7 раза выше, а коэффициент вскрыши в 4 раза ниже. Как на стадии добычи, так и на стадии обогащения, российские руды требуют значительно больших затрат, что определяет низкую конкурентоспособность российской железорудной продукции на мировом рынке.

В то же время, на территории КМА имеется более 60 млрд. тонн запасов и ресурсов богатой железной руды с содержанием железа более 60%. Разработка месторождений богатых железных руд из-за сложных горногидрогеологических условий залегания неэффективна. Предпринимаются попытки оценить целесообразность отработки таких месторождений способом гидротехнологий, в том числе и скважинной гидротехнологии, что позволит получить высококачественную, конкурентоспособную руду с содержанием железа более 67%.

В связи с этим, обоснование параметров технологии и процесса гидроразрушения железосодержащих разуплотненных руд является актуальной задачей исследования.

целью работы является научно-геотехнологическое обоснование повышения эффективности процессов гидроразмыва при СГД на различных стадиях освоения разуплотненных железосодержащих руд КМА. <

Основная идея работы заключается в обосновании эффективного процесса струеформирования при разрушении массива разуплотненных железосодержащих руд.

Основные задачи исследований На основе выполненных теоретических обобщений, анализа литературных и фондовых материалов по

разработке и перспективам развития метода СГД, автором сформулированы следующие задачи исследований:

■ обоснование критерия оценки качества гидромониторной струи;

■ обоснование общей структурной аналогии динамики развития струйных потоков;

■ исследование и аналитическое обоснование физической сущности коэффициента структуры гидромониторной струи;

■ исследование струеформирующих устройств при формировании струй с повышенной разрушающей способностью;

" исследование разрушающей способности гидромониторной струи с внешним струеформированием;

■ исследование технологических возможностей эрлифтного подъема;

■ разработка рациональных технологических схем гидродобычи разуплотненных железосодержащих массивов.

методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный метод исследований, включающий: обобщение и анализ библиографических и патентных материалов мирового опыта СГД различных видов полезных ископаемых, а также фондовых документов; анализ физических процессов при струеформировании и гидроразрушении горного массива; аналитическое обоснование методов оптимизации управления качеством руды - сравнение полученных экспериментальных данных с результатами аналитических исследований.

Основные защищаемые научные положения:

1. Формирование струйных потоков определяется общей структурной закономерностью с учетом формы канала и динамики развития напорного течения.

2. Повышение производительности гидроразмыва разуплотненного железосодержащего массива достигается за счет: перемещения процесса струеформирования из области ствола гидромонитора к месту вылета струи из насадки; самоэжекции атмосферного воздуха по оси струи; самоэжекции раствора поверхностно-активных веществ или абразивных материалов в область вылета струи из насадки.

3. Величина оптимальных удельных энергозатрат на гидроподъем в процессе эрлифтирования определяется взаимосвязанными параметрами длины и диаметра эрлифта, плотностью гидросмеси, объемов расхода газа и жидкости, а также длиной линии всасывания и нагнетания.

Научная новизна результатов работы:

1. Установлено, что движение струи в канале, стенками которого является граница раздела фаз (вещества струи и окружающей среды) аналогично равномерному турбулентному напорному течению потока в трубах.

2. Установлено, что отличительной способностью распространения турбулентных свободных струй является идентичность роста пограничного

слоя, как у твердой границы, так и у границы раздела двух разноплотностных потоков (в частности, вода - воздух).

3. Аналитически установлено, что структура зависимости измеиения средней или осевой скорости для затопленной струи подобны и отличаются только константой.

4. Анализ исследований по струеформированию показал, что основные формулы и выражения, описывающие изменение скорости по длине струи могут быть приведены и представлены единой структурной формой.

5. Опытно-аналитически установлено, что степень искривления гидромониторной струи зависит от длины струи, диаметра насадки и давления истечения. Причем, для средненапорных струй (давлением до 60 ат и длиной до (н-8 м) величина вертикального смещения ее оси пренебрежимо мала.

6. Численно-аналитический анализ показывает, что поскольку искривление гидромониторных струй среднего давления незначительно, то это обстоятельство позволяет с удовлетворительной степенью практической достоверности рассматривать процесс распространения гидромониторной струи как струйный поток линейного расширения и аналитически описать процесс струеформирования.

7. Аналитически установлено, что коэффициент турбулентной структуры физически представляет собой суммарный коэффициент сопротивления струи: вязкостного и турбулентного.

8. Экспериментально подтверждено, что самоэжекция атмосферного воздуха через воздушную трубку по оси струи является наиболее эффективным способом управления струеформированием.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается изучением статистического материала; достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований струйных течений и процесса разрушения горного массива в опытно-промышленных условиях; удовлетворительной сходимостью результатов моделирования, экспериментальных и аналитических исследований с результатами натурных испытаний (расхождение'составило не более 10%).

личный вклад автора состоит в получении, обобщении и критическом анализе данных процессов СГД различных полезных ископаемых, тенденциях развития и вопросах его научно-технического обеспечения; проверке адекватности предлагаемых физико-математических моделей процесса струеформирования.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ: заключается в разработке вариантов и обосновании параметров технологии добычи разуплотненных железосодержащих руд гидромонитором с повышенной разрушающей способностью, позволяющим повысить производительность добычи в 1,3+1,5 раза.

Реализация результатов работы. Работа выполнена в рамках Стратегии развития металлургической промышленности Российской Федерации до 2015г.

апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на технических советах участка СГД Гостищевского месторождения, института ВИОГЕМ (г. Белгород), на научных конференциях Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе и Российского государственного горного университета.

публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 165 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 123 наименований.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований.

В первой главе проанализированы проблемы развития СГД в России и за рубежом, современные концепции динамики гидромониторных струй и управления процессом струеформирования.

Во второй главе проведены аналитические исследования процесса формирования струй скважинными гидромониторными агрегатами, предпринята попытка обоснования критерия оценки качества гидромониторных струй и общей структурной аналогии динамики развития струйных потоков.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования процессов формирования струй и разрушения горного массива, а также стендовые исследования струеформирующих устройств с повышенной разрушающей способностью струи. Проведен сравнительный анализ аналитических исследований и экспериментально полученных данных по формированию гидромониторных струй.

В четвертой главе обосновываются параметры технологии добычи разуплотненных железосодержащих обводненных руд гидромониторными агрегатами; разработаны требования к параметрам технологии гидродобычи, скважинному агрегату, эрлифтному подъему, струеформирующим устройствам.

В заключении приведены основные выводы по работе и дано обоснование направлений совершенствования и развития процесса гидроразрушения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю - профессору Маркелову Сергею Владимировичу за постоянную поддержку и помощь в работе, всему коллективу кафедры «Геотехнология руд», отдельно Малухину Н.Г., Лобанову Д.П., Небере В.П., сотрудникам ОАО «Союзруда» и «Белгородруда»: Новикову А.А., Колесникову В.И., Ястрежемскому Н.Э.;

Значительный вклад в становлении и развитии теории и практики СГД и, в частности, процесса гидроразмыва внесли: Арене В.Ж., Бабичев Н.И., Лобанов Д.П., Хныкин В.Ф., Мельников В.В., Кузьмич И.А., Дробаденко В.П., Шавловский Г.Г., Бафталовский В.Е., Никонов Г.П., Гейер В.Г., Абрамович Г.Н., Цяпко Н.Р., Куклин И.Г., Колибаба ВЛ.

1 защищаемое положение

Формирование струйных потоков определяется общей структурной закономерностью с учетом формы канала и динамики развития напорного течения.

Впервые исследование турбулентной струи несжимаемой жидкости были проведены в Геттингенской аэродинамической лаборатории (Прандлем А., Толмином В., Цимманом В., Рейхардом А. и др.). Кроме хорошо известных базовых выражений распространения турбулентной струи, В. Толмин доказал, что скорость поперечного движения частиц в струе увеличивается с ростом разницы скоростей слоев струи и, на основании чего обосновал формулы для определения толщины пограничного слоя:

■ у твердой границы:

где: ух - кинематическая вязкость жидкости, м2/с;

Оотн - относительная скорость двух соседних слоев струи, м/с;

5 - толщина пограничного слоя, м.

Позже (в 1982 г.) эта особенность была обнаружена и азербайджанским ученым-гидрологом (В.В. Ибад-Заде) при изучении пограничной границы разноплотностных потоков в реках у берега.

Исходя из этого, согласно результатам численного анализа показано, что искривление гидромониторных струй среднего давления незначительно. Это позволяет обоснованно принимать границы гидромониторной струи прямолинейными и, исходя из этого положения, аналитически описать процесс струеформирования. Таким образом, можно принять допущение, что струя распространяется в линейио расширяющемся канале, внутренней поверхностью

О)

у границы раздела двух разноскоростных слоев жидкости:

(2)

которого является масса окружающей жидкости (воздуха). Режим течения в этом канале определяется:

■ скоростью течения, то есть параметром Re;

■ формой канала, то есть углом раскрытия а.

Эти два параметра (динамический и геометрический) определяют: формирование скоростного потока в канале ствола (в основном, скоростной режим, который характеризуется числом Рейнольдса); формирование угла раскрытия струи (степень компактности).

Таким образом, установившееся турбулентное течение в расширяющемся канале определяется начальным диаметром d0 и углом раскрытия а и характеризуется молекулярной (за счет обмена массами на границе раздела фаз) и турбулентной вязкостью. То есть движение струи в канале, стенками которого является граница раздела фаз (вещества струи и окружающей среды), аналогично турбулентному течению в трубах. Составим уравнение Бернулли для в струе:

ту2 р тт2 р Т}2 1 TJ2

2-g PS 2-g p g Ък 2-g d0 2-g w где: P0и> и Рсгр - соответственно, статическое давление окружающей среды и внутри струи (Рокр=Рстр), Па;

Uo, Ucp - соответственно скорости при выходе из насадки и текущая средняя скорость струи, м/с;

X - коэффициент гидравлического сопротивления границы раздела (струя - окружающая среда);

коэффициент местного сопротивления (формы канала); do - начальный диаметр струи, м;

Z], Z2 - положение уровня гидромонитора и струи относительно одной плоскости сравнения (Zi=Z2), м; /-длинаструи, м.

Преобразовав и упростив выражение (3) получим формулу текущей средней скорости по оси гидромониторной струи:

UCP = U0 • 1 . (4)

V V 1 ) do

Выражение (4) струюурно подобно опытным формулам Н.Ф. Цяпко, И.С. Куклина, K.M. Штукатурова, и с некоторой корректировкой формулам почти всех исследователей гидромониторных струй (В.Г. Гейер, Г.Н. Роер, A.M. Журавский, Г.Н. Абрамович, И.О. Замазия (кольцевая струя), И.М. Коновалов, А.К. Козодой, A.A. Босенко, А.Г. Бнишев, A.M. Шепелев, Л.Г. Лойцянский и

ДР-)-

В таблице 1 и таблице 2 сведены практически все основные формулы известных исследователей при распространении свободных гидромониторных и затопленных струй.

Таблица 1. Структура формул, определяющих изменение падения скорости __по длине гидромониторных струй__

№ пп. Исследователь, источник Выражение их =/(/) Ограничение в применении Материал при разрушении которого получена формула

1 В.Г. Гейер [102] Uос _ 0,48 Uо 0,145 + 0,00239 ■ 1/, / "о а0> 0,015 м Ро > 2,0 МПа по углю

2 Н.Ф. Цяпко [77] Uoc _ 0,145 Uo ^0,145 + 0,00145 • уа а >0,003 м Ро = 1+25 МПа по углю

3 Н.Ф. Цяпко [45] Рос 0,478 Ро 0,145 + а- 1/, / "о а >0,003 м Ро = 1+25 МПа по углю

Uoc _ 1 u° Jo,303+ а -У, V 0.478 /(10

4 Г.Н. Роер [65] Ucp _ 0,174 U о 0,145 + 0,0048- 1/, /"о (1> 0,05 м Н0 = 3+100м по породе

5 A.M. Журавский [63] Uoc . 0,48 U о 0,145 + 0,00239-'/ /"о с10> 0,012 м Ро = 4+15 МПа по углю

6 И.С. Куклин, K.M. Штукатуров [70,71,72] Uoc _ 1 а0= 15+20 м Р0 = 3+100 атм по углю

Таблица 2. Структура формул, определяющих изменение падения скорости __по длине затопленных струй__

№ пп. Исследователь, источник Выражение Ux — f(l) Условия распространения

1 Г.Н. Абрамович (осесимметричная струя) [93] Ucp 0,145 U0 ~ 0,145 + a- V, / "o воздушная струя в воздухе

U«. 0,48 U0 "0,145 + a./dt

2 Г.Н. Абрамович (плоская струя) [87] Uoc 1,2 воздушная струя в воздухе

3 И.О. Замазия (кольцевая струя) [93] Uœ 0,48 U0 0,145 +a - y, / "3KB tbicB - эквивалентный диаметр сопла воздушная струя в воздухе

4 И.М. Коновалов [37, 99] Ucp 0,145 U0 0,145 +a- У. / "о водяная струя в воде

5 А.К. Козодой, A.A. Босенко [105, 106] Uoc . 1 Uo l + do водяная струя при бурении в скважине

Ucp 0,425 U° 1 + 0 - ' ~ do

6 А.Г. Бнишев [103] Uoc b Uo ¿ + e.± da водяная струя при бурении в скважине

Анализ выражений таблицы 1 и 2 показывает, что все формулы, описывающие изменение скорости по длине струи, связаны единой структурной формой:

Un. = А-ий

1

1 + fl- у.

/«о

(5)

или

UOC=A-U0

1 + а-

ч

(6)

где: А, а - коэффициенты.

Причем, отношение средней скорости в любом поперечном сечении основного участка к осевой скорости в том же сечении есть величина постоянная, что подтверждается исследованиями В.Я. Чичасова и И.Н. Кременецкого.

Предлагаемая структура зависимости изменения скорости вдоль струйного потока характерна и для свободно отраженных струй (исследования д.т.н. Мирцхулавы Ц.Е. и Алояна A.B.).

Таким образом, имеет место идентичность полученного аналитического выражения (4) и общей структурной аналогии многочисленных опытных выражений как для изменения осевой скорости по длине струйного потока, так и средней (выражения (5) и (6)).

С другой стороны, ученые ИГД им. A.A. Скочинского утверждают, что границы гидромониторной струи деформированы (из-за гравитационных сил) и поэтому все предыдущие опытные уравнения динамики распространения гидромониторных струй неверны, что и явилось причиной создания новых формул и выражений в виде степенных зависимостей, совершенно отличных по своей структуре от базового выражения (4).

Численная проверка предлагаемого выражения (4) и степенной формулы ученых ИГД им. A.A. Скочинского показала, что результаты расчета практически одинаковы (таблица 3).

Сравнивая общую структурную формулу для всех струй (5) и (6) и полученное выражение (4) заметим, что названный Г.Н. Абрамовичем и П.И. Шепелевым коэффициент турбулентной структуры струи а раскрывается в выражении (4):

то есть физически искомый коэффициент представляет собой суммарный коэффициент сопротивления струи при ее распространении:

Таблица 3. Сравнительный анализ выражений относительного осевого давления __по длине струи различной структуры_

№ пп. Расчетное выражение Источник Относительное расстояние,

3 \ 4 \ 6 \ 8 \ 10 \ 12 \ 14 \ 16 \ 20 \ 40

1. Для средненапорных струй

1 Рос ^ ^ {1) ИГДим. А.А. Скочинского 0,393 0,308 0,218 0,171 0,146 0,126 0,106 0,095 0,078 0,043

2 Рос _ 1 р 1 г° 1 + 0,57- — 'я автор 0,399 0,304 0,226 0,18 0,15 0,128 0,11 0,1 0,08 0,042

3 Рж- 1 р 1 0,9 + 0,6- — 'я автор 0,37 0,303 0,222 0,175 0,145 0,123 0,107 0,095 0,078 0,04

2. Для гидромонитора с эжектирующей трубкой

4 II / \ 1 0,77 + 0,23- — 1 ¡и) 2 автор 0,66 0,469 0,395 0,27 0,216 0,177 0,147 0,095 0,07 0,02

3. Для низконапорных струй

5 ИГД им. А.А. Скочинского 0,577 0,5 0,408 0,32 0,316 0,289 0,267

6 Рос _ 1 р 1 г° 1 + 0,24- — 1и автор 0,58 0,51 0,41 0,32 0,294 0,26 0,23

, (¿Л

• вязкостного, определяемого как 4к "I ~ I и являющимся постоянным для конкретной насадки (как у А.Д. Альтшуля соотношение

абсолютной шероховатости к диаметру трубы ~~г~ и также постоянно

"о

для конкретной трубы);

" турбулентного, определяемого как ЦЯе) (у А.Д. Альтшуля -коэффициент, характеризующий турбулентную вязкость,

68 ч

определяемый как — ).

Кс

Следовательно, коэффициент структуры гидромониторной струи имеет физическую сущность обобщенного коэффициента сопротивления струи и может быть представлен для конкретного гидромонитора (исходя из выражения (4)) в виде, подобно обобщенному коэффициенту гидравлического трения при течении жидкости в трубах:

а = А + В-Яе (8)

Следует заметить, что ученые ИГД им. А.А. Скочинского предложили (еще в 60-х гг.) коэффициент структуры в виде прямопропорциональной зависимости

а = А-В-Кс (9)

Но, при В ■ Ие < 1 (что имеет место всегда при формировании гидромониторных струй) и разложении в ряд Маклорена, имеем:

А-ВКе----, по)

что подтверждается практикой (рис. 1) и имеет физический смысл - именно как суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений.

2 защищаемое положение

Повышение производительности гидроразмыва разуплотненного железосодержащего массива достигается за счет: перемещения процесса струеформирования из области ствола гидромонитора к месту вылета струи из насадки; самоэжекции атмосферного воздуха по оси струи; самоэжекции раствора поверхностно-активных веществ или абразивных материалов в область вылета струи из насадки.

Струеформирующее устройство скважинного агрегата оборудовалось устройством в виде трубки, расположенной по оси потока в канале ствола, и заканчивающейся в зоне начального участка струи. Трубка для эжектирования воздуха через специальное сальниковое уплотнение выведена за пределы ствола гидромонитора. Соотношение диаметров трубки и насадки гидромонитора изменялось от 0,38 до 0,93.

Методикой исследования (на специально сконструированном для этих целей стенде) предусматривалось определение осевых динамических давлений струи и максимальной силы удара струй, формируемых насадками диаметром от 12 до 24 мм.

Оценка разрушающей способности струй проводилась по степени (интенсивности) разрушения песчано-цементных образцов и измерению следующих параметров воронки разрушения: внешний и внутренний диаметр, глубина и объем при фиксированном времени действия струи.

Замеры параметров проводились в интервале 1,0-5-12,0 м от насадки гидромонитора с шагом в 1 м. Начальное давление в струеформирующем устройстве с той или иной насадкой гидромонитора изменялось до 7,1 МПа.

Анализ опытных данных показал, что при увеличении рабочего давления, оптимальное положение переднего среза воздушной трубки перемещается к выходному сечению насадки и, в последующем, даже может выходить за ее пределы, ненарушая тем самым процесс струеформирования.

Эксперименты показали, что при перемещении воздушной (эжекгарующей) трубки по оси ствола и насадки струеформирующего устройства имеет место четыре зоны воздействия на струю (рис. 2):

■ зона обратного потока (эжектирующая трубка чрезмерно втянута в канал ствола в область высоких статических давлений);

■ зона стабилизации (эжектирующая трубка находится между началом цилиндрической части насадки и выходом потока из нее). Происходит интенсивное подсасывание воздуха (эжектирование) по оси высокоскоростного потока струи. Струеформирование обеспечивает достаточно компактную струю;

■ зона разрушения струи (эжектирующая трубка находится в области начального участка струи и за ним). Начинается излив газожидкостной смеси в обратную сторону из трубки. Струя значительно худшего качества, вплоть до ее распада.

Эжектирование необходимого количества воздуха происходит автомодельно, в соответствии с масштабом возникшей нестационарности

(возмущения) потока жидкости в цилиндрической части насадки, и, в последующем, - в ядре струи, то есть ее начальном участке.

Использование эжектирующей трубки позволяет значительно стабилизировать (или уничтожить полностью) области отрицательного давления в начале струи, что является определяющим условием начала струеформирования (рис. 2).

Рассматривая эжектирующую трубку и гидромониторную насадку как единое целое, можно заключить, что эта конструкция представляет собой водовоздушный эжектор, характеристика которого представляет собой зависимость относительного коэффициента напора р от коэффициента эжекции а и основного геометрического параметра ш (рис. 3):

Р = Ла,т) (И)

В свою очередь, вид эжектора представляет собой наибольшую площадь, которой соответствует произведение координат рабочей точки с максимальным к.п.д. Исследовав значения искомых площадей на экстремум, максимальное к.п.д. определяется как четвертая часть отрезков, отсекаемых расходно-наиорной характеристикой на координатных осях (рис. 3):

= (12)

где: г) - к.п.д. эжектора;

а, Ь - отрезки, отсекаемые расходно-напорной характеристикой на координатных осях аир.

Используя опытные данные при исследовании струйных аппаратов по определению отрезков а и Ь, и исследовав выражение (12) на экстремум, получим оптимальное значение основного геометрического параметра:

и = ^- = 1,91, (13)

где: ш0, к>| - соответственно, площадь поперечного сечения насадки и

водяного кольцевого напорного потока м2. или для гидромониторного эжектирования соотношение диаметра воздушной трубки и насадки равно:

г, У 1 „= =1_± (14) т

\с1о ,

Подставляя оптимальное значение основного геометрического параметра как эжектора по выражению (13), получим оптимальное соотношение

воздушной эжектирующей трубки и насадки как гидромонитора:

■,2

^ =1—- = 0,476,

<*. ) 1.91

что удовлетворительно согласуется с оптимальным значением этого параметра, полученным опытным путем (рис. 4).

1

т Щ. .г.:..... -. . 'У^тр Л

<JoV

I - зона обратного выхода напорной воды

II - зона стабилизации струеформирования Iii - зона эжектирования

IV - зона распада струи

Рис. 2. Зовы воздействия на струю при перемещении эжектируюшей трубки вдоль оси канала ствола

Рис. 3. Расходно-напориая характеристика водовоздушного эжектора

15 1 23 27 31 3 39

Рис. 4. Зависимость глубины воронки разрушения от соотношения диаметра насадки и эжектирующей трубки

Образование воронок в песчано-цементных образцах проходит значительно интенсивней гидромонитором с эжектирующей трубкой, чем с обычным сотовым успокоителем.

Эжектирующая способность насадки резко возрастает при входе трубки в цилиндрическую часть насадки, а затем стабилизируется и остается приблизительно стабильной как при всасывании песка (рт=2650 кг/м3), так и шлама (рг=Ю80 кг/м3). Процесс разрушения песчано-цементных образцов оказался значительно интенсивней при вводе (эжектировании) песка в струю.

Подача в эжектирующую трубку жидких реагентов с различным удельным весом, как показали опыты, имеет также свои специфические особенности. Добавки в начальный участок струи посредством эжекции через трубку любого жидкого реагента приводило к достаточно интенсивному ее разрушению при условии, если реагент подавался по всему поперечному сечению воздушной трубки. В опытах использовались: вода с примесью бария, тосол, раствор полиакриламида. Опыты показали, что существует определенная пороговая концентрация полиакриламида (около 0,01%), которая оказывает заметное влияние на качество струеформирования и, в конечном итоге, на разрушающую способность струи.

3 ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ

Величина оптимальных удельных энергозатрат на гидроподъем в процессе зрлифтирования определяется взаимосвязанными параметрами длины и диаметра эрлифта, плотностью гидросмеси, объемов расхода газа и жидкости, а также длиной линии всасывания и нагнетания.

Технология гидродобычи разуплотненных железосодержащих руд предусматривает выдачу образовавшейся гидросмеси на поверхность эрлифтом. Эрлифты проектируются в настоящее время, как правило, с использованием эмпирических формул. Аналитические попытки описать движение вертикального трехфазного потока (вода - воздух - твердое) в подъемном трубопроводе эрлифта успеха на практике не имели. Даже известные разработки профессора В.Г. Гейера и его учеников справедливы при проектировании эрлифтного подъема только по воде и при коэффициенте погружения смесителя эрлифта не более 40+45% от всей высоты подъемной трубы. Такие обстоятельства потребовали разработать аналитическую методику расчета эрлифтного подъема с учетом: длины и диаметра эрлифтной трубы; плотности гидросмеси с учетом гидравлической крупности твердых включений в вертикальном потоке; объемов газа и жидкости, а также длины линии всасывания и нагнетания.

Для практической взаимосвязи перечисленных выше параметров, основной расчетной величиной является необходимый расход воздуха.

При разработке методики расчета эрлифтного подъема аналитически было описано движение двухфазного потока (вода - твердое) от плоскости всасывания до смесителя и трехфазного потока (вода - воздух - твердое) после смесителя до уровня излива смеси из эрлифтной трубы. Гидравлические потери в линии всасывания представлены: потерями напора на трение двухфазного

потока; на поддержание твердого во взвешенном состоянии и потерями на входе гидросмеси в эрлифт, суммарная величина которых определена как

Гидравлические потери в линии нагнетания представлены: потерями напора на трение трехфазного потока; потерями на ускорение смеси и потерями на переподъем (от статического уровня жидкости до излива), суммарная

величина которых представлена как ^ ^н •

При вводе воздуха, в подъемной трубе эрлифта по высоте заглубления ее под воду Ьн, имеет место баланс давлений:

(15)

откуда полезный напор эрлифта равен:

н = (

Ро

где: ро, рем - соответственно плотность воды и трехфазной смеси, кг/м3.

Для эффективной работы эрлифта (при полном преодолении всех потерь эрлифта должно соблюдаться равенство:

я=1Хс+2Х (17)

Методика расчета процессов гидроразмыва имеет следующий порядок: ■ число Реинольдса для струи: ке = -

V

относительная длина начального участка: 1«._1_

л0

производительность размыва, т/ч:

</0 2,52 -1(Г3 +2-2,52 -1СГ9 -Яе

(18)

П = 0 , , (19)

0,77 + 0,23- у. 4 '

/ 'ы

где: оо - скорость струи у насадки, м/с; v - кинематическая вязкость, м2/с; Ро - давление на насадке, ат; Ркр _ критическое давление на забое, ат; / - расстояние до забоя, м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача ускорения использования прогрессивной скважинной гидротехнологии добычи полезных ископаемых, обеспечивающая значительное снижение дефицита в потребности богатых железосодержащих руд при минимальных начальных капиталовложениях, для чего разработаны научно-обоснованные процессы гидроразмыва, эрлифтного гидроподьема и схема ведения добычных работ при скважинной гидротехнологии разуплотненных богатых железосодержащих руд КМА.

Основные выводы и практические рекомендации проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Выявлено, что условие оптимальности управления качеством гидромониторной струи достигается при перемещении процесса струеформирования из области проточной части канала ствола непосредственно по длине становления и распространения высокоскоростного потока струи.

2. Аналитически установлено, что практически все основные формулы и выражения, описывающие изменение скорости по длине струи могут быть приведены к единой структурной форме.

3. Согласно результатам численно-аналитического анализа установлено, что искривление гидромониторных струй среднего давления незначительно, что позволяет с удовлетворительной степенью практической достоверности рассматривать процесс распространения гидромониторной струи как струйный поток линейного расширения и аналитически описать процесс струеформирования.

4. Обосновано, что гидромониторная струя распространяется в линейно расширяющемся канале, внутренней поверхностью которого является граница раздела струи и окружающего воздуха.

5. Аналитически установлено, что коэффициент турбулентной структуры физически представляет собой суммарный коэффициент сопротивления струи: вязкостного и турбулентного.

6. Обосновано, что гидромониторный эффект по отделению твердого от массива определяется осевым давлением, общая сила удара в единицу времени - объем разрушенной породы (если разрушение вообще происходит). Причем критерий компактности струи должен быть связан как с глубиной внедрения струи в разрушаемый массив, так и с объемом образуемой полости.

7. Установлено, что условие оптимальности управления качеством гидромониторной струи достигается при перемещении процесса струеформирования из области проточной части канала ствола непосредственно по длине формирования и распространения высокоскоростного потока струи.

8. Экспериментально подтверждено, что самоэжекция атмосферного воздуха через воздушную трубку по оси струи является наиболее эффективным способом управления струеформированием.

9. Экспериментально установлено, что оптимальное положение эжектирующей трубки по оси насадки зависит от величины рабочего давления.

10. Экспериментально установлено, что расход эжектируемого воздуха происходит автомодельно в соответствии с масштабом начальной нестабильности напорного потока жидкости.

11. Производительность гидроразмыва определяется расходом воды через гидромонитор, давлением на выходе из насадки и в контакте с забоем с учетом размываемости породы.

12. Разработанная методика расчета эрлифтного подъема учитывает не только абсолютные геометрические параметры (длину и диаметр), но и потери напора при движении двухфазной смеси до смесителя эрлифта (на трение, на поддержание твердого во взвеси и на вход потока в трубу) и трехфазной смеси после смесителя (на трение, ускорение потока и на переподъем).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пинчук A.B., Малухин Г.Н. Движение рабочей жидкости по поровым каналам несвязанных твердых материалов. IV Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». Тезисы докладов, 3 том. М.: 1999. - с, 84.

2. Пинчук A.B. Обоснование максимального кпд гидроэлеватора на его безмерной расходно-напорной характеристике. Природные и техногенные россыпи и месторождения кор выветривания на рубеже тысячелетий: Тезисы докладов XII Международного совещания, 25-29 сентября 2000г. М. 2000 г. - М.: ИГЕМ РАН, 2000. - с. 284-285.

3. Пинчук A.B. Технологические особенности скважинкой гидродобычи железных руд КМА. Тезисы докладов, г. Москва, МГТУ, 2001 г. Научный симпозиум «Неделя горняка - 2001». Горный информационно-аналитический бюллетень №9,2001, с. 119-120.

4. Пинчук A.B. Исследование эрлифтного гидроподъема богатых железных руд КМА с глубин 800-900 м. Тезисы докладов, г. Москва, МГГУ, 2002 г. Научный симпозиум «Неделя горняка - 2002» Горный информационно-аналитический бюллетень № 10, 2002.

5. Пинчук A.B., А. А. Новиков, Ю.Л. Благутин Задачи укрепления и расширения минерально-сырьевой базы цветной металлургии России. Горный журнал. 2003. №10. с. 58-62.

6. Пинчук A.B., Петриченко В.П., Колесников В.И. Физические способы и средства разуплотнения и эрлифтирования руд КМА. Горный информационно-аналитический бюллетень № 12, М., МГГУ, 2004.

7. Пинчук A.B. Об успехах и проблемах металлургического комплекса. Международный промышленный журнал «Металлы Евразии». № 1,2007 г.

8. Пинчук A.B. Меры по развитию металлургической промышленности. Научно-технический и производственный журнал «Металлург» № 3, 2007 г., с. 3-8

9. Пинчук A.B., Волков Ю.И. Инновационные ресурсы при добыче железорудного сырья в черной металлургии. Сборник трудов 9-го международного симпозиума «Вопросы осушения, горнопромышленная геология и охрана недр, геомеханика, геоинформатика, экология». Белгород, Россия, 2007, стр.8-14

10. Пинчук A.B. Грядет время перемен. Научно-технический и производственный журнал «Рынок вторичных металлов», № 4,2007г.

11. Пинчук A.B. Государственная промышленная политика в металлургии. Тезисы докладов II Международной ферросплавной конференции. Ежемесячный международный научно-технический и производственный журнал «Сталь» № 8,2007 г., с. 47

Подписано в печать ОЪ. 2009г. Объем 1,5 п.л. Тираж 1 экз. Заказ № Н

Редакционно-издательский отдел РГГРУ Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23