Принципы современных геотехнологий

Принципы современных геотехнологий

Введение

геологический гидродобыча бурение скважина

В современном мире широко используются геотехнологические методы с применением буровых скважин для добычи твердых полезных ископаемых, с их экскавацией на поверхность непосредственно через скважину.

В этой курсовой работе будет разработана поисково-оценочная скважина на строительные пески методом скважинной гидродобычи (СГД). С целью увеличения запасов полезного ископаемого и повышения производственных мощностей горного предприятия.

Поисково-оценочные работы будут проводиться в Республике Беларусь.

Месторождение строительных песков «Сожское» находится в Ветковском районе Гомельской области, в 3 км от г. Ветка. В данном районе имеются залежи песка на небольшой глубине, которые могут соответствовать техническим требованиям к качественному строительному песку.

Вблизи месторождения находится дорога с покрытием переходящая в дорогу без покрытия в сторону участка работ, что будет удобно для передвижения буровой техники. Так же вдоль дороги проведена линия электропередач. Возле территории участка протекает река Сож, которая может выступать в качестве источника воды для технологических процессов, а так же является судоходной для транспортировки полезного ископаемого. Рельеф Ветковского района преимущественно равнинный. Растительность не сильно разнообразна, преобладают низкорослые кустарники, обширных лесопосадок не имеется.

Все вышеперечисленные факторы способствуют проведению поисково-оценочных работ и последующему обустройству горного предприятия.

1.      Геологическое описание района работ

Горные породы Ветковского района представлены четвертичными отложениями, то есть они были образованы сравнительно недавно, приблизительно в течении последних 2 млн. лет.

Песчаные отложения краевых ледниковых образований представляют собой аккумуляции, связанные со сложным комплексом разнообразных форм рельефа. Нередко подобные аккумуляции представлены отдельными валоподобными холмами или холмистыми грядами, которые в плане зачастую имеют вид цепей, дуг или гирлянд.

Участок относится к Западной части Восточно-Европейской платформы в районе Припятского прогиба.

Геологическая структура района добычи представлена 3 видами пород. В районе работ почвенно-растительный слой составляет 0,2 м.

Четвертичный период представлен породами (сверху вниз):

aIV - аллювиальные отложения пойм. Пески, песчано-гравийные смеси (ПГС), супеси, илы.

aIII - нижневалдайские аллювиальные отложения надпойменных террас. Пески, супеси, суглинки.

gIIm - мореные отложения. Суглинки, супеси валунные, пески, ПГС.

Гидрогеология:

Грунты сильно обводнены. Статические уровни прослеживаются от 0 до 7 м.

2.      Проектирование поисково-оценочных работ

Поисково-оценочные работы проводятся с целью отбора технологической пробы и оценки возможности последующей эксплуатации месторождения методом СГД.

СКВАЖИННАЯ ГИДРОДОБЫЧА (а. hydraulic well mining, hydraulic borehole mining; н. hydraulische Воhrlochgewinnung; ф. exploitation hydraulique par forage; и. extraccion hidraulica de pozos) - способ подземной гидравлической разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых, при котором полезное ископаемое переводится на месте залегания в гидросмесь. Основные технологические процессы при скважинной гидродобыче (рис. 1): вскрытие месторождения с помощью скважин; гидравлическое разрушение (размыв) напорной струёй воды (в осушенном или затопленном очистном пространстве), дезинтеграция и перевод в забое разрушенной массы в гидросмесь; транспортирование (самотёчное или напорное) гидросмеси от забоя до пульпоприемной скважины (выработки); подъём гидросмеси на поверхность; обогащение; складирование хвостов обогащения; осветление оборотной воды и водоснабжение; управление горным давлением.

ис. 1. Принципиальная технологическая схема предприятия скважинной гидродобычи (I - добычной участок; II - обогащение): 1 - скважины подачи воды в залежь (растворителя); 2 - скважины откачки пульпы (раствора для сорбции); 3 - пульпа; 4 - площадка насосной станции; 5 - напорная вода; 6 - слив; 7 - концентрат; 8 - шлам (в хвостохранилище); 9 - погрузочная эстакада; 10 - хвосты обогащения; 11 - хвостохранилище; 12 - пруд-отстойник; 13 - подпиточная вода.

2.1 Расчет параметров скважинной гидродобычи

Исходные данные на проект:

разрушаемая порода - песок;

глубина отбора проб ;

мощность пласта полезного ископаемого Н_пл=30 м;

диаметр насадки ;

- плотность грунтовых вод ;

плотность рабочей жидкости ;

плотность строительного песка ;

угол внутреннего трения ;

напор центробежного насоса ;

коэффициент сцепления ;

Расчет гидромонитора

1. Нормальная нагрузка на разрушаемый слой породы:

где g - ускорение свободного падения, м/.

2. Поровое давление:

где  - поровое давление;

где  - статический - уровень жидкости, равный 4 м (см. ГТН);

3. Эффективное напряжение:

4. Сопротивление сдвигу водонасыщенных пород:

5. Давление воды на входе в насадку:

где  - потери напора в сети, ориентировочно:

 - потери напора в гидромониторе, ориентировочно:

6. Начальная скорость истечения струи:

м/с;

где  - коэффициент скорости, принимается

 м/с.

. Расход воды:

8. Коэффициент структуры потока струи:

где n - опытная величина, определяемая из следующего соотношения в зависимости от значения , принимаем n=2.

. Расстояние от насадки до забоя, в котором возможно разрушение:

10. Производительность гидравлического разрушения рыхлых и слабосцементированных песков и песчаников прочностью до

где  - опытная постоянная, зависящая от диаметра насадки, принимается

Расход воды  

Откуда массовая консистенция гидросмеси:

Удельный расход воды:

12. Плотность гидросмеси:

где m - пористость породы, принимаем m=10%.

13. Производительность монитора по гидросмеси:

14. Максимальный объем технологической пробы с одного метра глубины

где r - радиус ствола скважины, r=0,132 м.

15. Время работы монитора для добычи 1-2 тонн песка

где V - оббьем породы извлекаемой за 1 минуту;

16. Время работы монитора для отработки одного погонного метра пласта полезного ископаемого 45 минут при выходе 14 т с 1 м, а из пласта мощностью 30 м 420 т - 23 часа.

Расчет подъема пульпы всасыванием

Размыв разрушенной породы, находящейся на забое скважины, подошве затопленной горной выробатки, у дна отстойника циркуляционнойсистемы буровой установки и т.д. начинается движением частиц по радиусу к вертикальной оси всасывающего наконечника. Скорость движения частиц растет от перефирии к центру отверстия наконечника. Всасывание породы и перемещение гидросмеси по всасывающему трубопроводу происходит за счет вакуумметрической высоты всасывания.

Рис. 2. Конфигурация зоны всасывания

Рис. 3. Схема всасывания трубопровода с наконечником землесосной установки

- землесос; 2 - всасывающая трубка; 3 - затопленный водой забой; 4 - наконечник; 5 - слой разрушенной породы.

.        Критическое значение плотности гидросмеси, при которой может произойти прекращение вакуумметрического всасывания (срыв вакуума) составляет:

.       

где  - высота всасывания,

 - высота погружения;

 - глубина всасывания

 - потери напора на трение,

 - динамические потери напора,

Так как , то произойдет прекращение вакуумметрического всасывания - срыв вакуума. Просчитаем вариант с доливом скважины с целью увеличения критической плотности для возможного отбора пробы:

2. Критическая глубина всасывания:

Таким образом, по результатам расчетов такой способ подъема в качестве основного принимать не целесообразно.

Расчет всасывающего наконечника

При расчете всасывающего наконечника определяется его диаметр, обеспечивающий подъем полезного ископаемого при заданной производительности и плотности гидросмеси.

.        Содержание твердой фазы:

2.     

3.      Объемное содержание твердой фазы:

.        Скорость движения гидросмеси во всасывающем наконечнике должна превышать величину гидравлической крупности поднимаемых кусков полезного ископаемого:

где  - критерий Архимеда для шаровидных частиц диаметром  с плотность - плотность и кинематическая вязкость жидкости:

где =1,5 - геометрический коэффициент формы;

 - диаметр шаровидных частиц;

=1  - кинематическая вязкость;

Коэффициент, учитывающий влияние стенок:

где =15 - диаметр частиц породы;

D=2=30 - внутренний диаметр всасывающего трубопровода;

Коэффициент, учитывающий объемную концентрацию частиц:

где n=3 - опытный коэффициент;

Гидравлическая крупность поднимаемых кусков полезного ископаемого:

5.      Диаметр насадки:

Расчет подъема пульпы эрлифтом

Эрлифтный подъем, несмотря на свой низкий КПД (10-30%), широко применяется для откачки пульпы ввиду своей простоты, надежности и возможности свободного выноса абразивных частиц.

Рис. 4. Схема «внутри» оборудования скважин эрлифтом: 1 - воздухоподающие трубы; 2 - смеситель; 3 - пульпопровод.

Коэффициент погружения смесителя ( - статический уровень из ГТН - =4 м и превышение выхода лифта над устьем скважины, берем h=3 м, глубина погружения смесителя - ) для нормальной работы эрлифта, принимается тем больше, чем плотнее и крупнее частицы гидросмеси. Принимаем

Коэффициент относительного погружения смесителя .

1.      Определяем на какую глубину надо опустить смеситель в скважину:

2.      Глубина погружения смесителя под статический уровень (загрузка смесителя):

3.      Коэффициент относительного погружения смесителя:

4.      Определяем необходимый расход воздуха для работы эрлифта (подъема гидросмеси):

.        Определяем расход воздуха, при манометрическом давлении , при котором мы его подаем в скважину:

где =0,7 атм.

6.      Диаметр воздуховодных труб:

7.      Определяем диаметр пульпопроводной трубы (ф-ла В.Г. Гейгера):

8.      Определяем рабочее давление работы компрессора:

где  - потери давления в воздухоподающих трубах и форсунке,

9.      Определяем пусковое давление:

Следовательно, на рабочий объект надо завезти не менее 14 м воздухоподающих труб для обеспечения работы эрлифта, из них 7 м будет заглублено под статический уровень в скважине, а 3 м находиться над устьем скважины на поверхности, а также компрессор.

Подбор землесоса

1. Высота подачи гидросмеси в случае размещения землесоса в скважине:

где K - массовая концентрация гидросмеси,

где Ж=Q=5,761,04=6 т/ч.

2. Гидравлическая мощность насоса:

где /с - расход насоса,

=0,257 Па - давление жидкости насосом,

3. Мощность привода насоса:

где  - коэффициент запаса;

 - КПД.

Расчет подъема пульпы гидроэлеватором

Гидроэлеватор

Рис. 5. Схема гидроэлеватора: 1 - камера смешения; 2 - насадка; 3 - смесительная камера; 4 - диффузор; 5 - нагнетательный трубопровод; 6 - конфузор; 7 - всасывающий патрубок

Гидроэлеваторы рассчитываются и изготавливаются индивидуально для конкретных условий. На эффективность работы гидроэлеватора значительное влияние оказывают его конструктивные параметры.

При расчете параметров гидроэлеватора необходимо достичь оптимизации соотношения расходов перекачиваемой и рабочей жидкости, а так же площадей поперечного сечения камеры смешения и всасывающей трубы, что определяет коэффициент полезного действия гидроэлеватора.

Высота подъема пульпы:

Расход эжектируемой гидросмеси: т/ч;

.        Скорость жидкости в камере смешения, которую необходимо иметь для подъема пульпы на высоту 7 м:

где =0,35 - коэффициент сопротивления в камере смешения и диффузоре.

2.      Общий объем гидросмеси через камеру смешения:

где =2=0,04 м - минимальный диаметр камеры смешения, равный двум диаметрам частицы.

3.      Расход воды через насадку гидроэлеватора и коэффициент эжекции:

4.      Осредненная скорость в начале смешивания потока:

5.      Скорость и давление воды на выходе из насадки гидромонитора:

где =0,08 - потери давления на выходе из насадки.

.        Диаметр насадки гидроэлеватора:

7.      Коэффициент напора, характеризующий отношение высоты подъема жидкости к ее давлению на выходе из гидроэлеватора:

8.      Геометрический параметр:

9.      Статический коэффициент полезного действия гидроэлеватора:

10.    КПД гидроэлеватора:

Расчет параметров доставки гидросмеси на поверхность

Самотечный

Самотечный транспорт по лоткам при СГД применяется для подачи гидросмеси руды от добычных агрегатов к участковым землесосным установкам. Обычно применяются лотки трапецеидального сечения.

.        Сечение лотка:

где =792 м/ч - критическая скорость для грубого песка.

Высота лотка должна быть не менее h=1,3

где =15 см - максимальный размер кусков разрабатываемой породы.

Таким образом для транспортирования породы выбираем лоток типа I с высотой 25 см. Лотки следует установить под уклоном, для песков средней крупности он буде равен 0,04-0,05.

2. Пропускная способность лотка:

где x - эмпирический коэффициент, характеризующий условия подачи руды в лоток, принимается в пределах от 0,86 до 1,6;

a=относительный удельный вес;

i=0,05 - угол лотка;

эмпирический коэффициент, зависящий от крупности транспортируемого материала и расхода воды,

k - коэффициент запаса, принимается от 1,2 до 1,5;

f - коэффициент трения кусков руды о дно лотка, f=0,63;

средний размер частиц руды,

Пульпопровод

1. Расчетный диаметр пульпопровода:

2. Объем глинистого раствора при бурении разведочного ствола:

где d - диаметр разведочной скважины;

. Объем зумпфа под глинистый раствор:

4. Объем технической жидкости:

Карта намыва

1. Емкость гидроотвала:

где объем укладываемых пород в массиве, 5 ;

коэффициент приращения объема пород в результате их набухания;

 объем воды в отстойнике, равный 10-дневному расходу гидросмеси, подаваемой в отвал;

 объем стока водосбора;

Геометрические размеры карты намыва для размещения 29,2  жидкости и приборы составляют, при средней глубине карты намыва в 1 м, 8x8 м. В том числе отстойник для сбора и осветления оборотной воды с гидроизоляцией стенок - устанавливается на глубину 1,5 м в нижней части уклона карты намыва на объем до 10 .

2.2 Подбор оборудования для бурения скважины, добычи и транспортировки полезного ископаемого

Для бурения скважин применяем буровую установку ЛБУ-50. Предназначенная для бурения геологоразведочных, гидрогеологических, специальных технических скважин в породах до X категории по буримости.

Буровая установка ЛБУ-50 Многоцелевая буровая установка с подвижным типом вращателя. Монтируется на различных моделях грузовых автомобилей. Привод установки осуществляется от двигателя транспортной базы через К.О.М. Буровая мачта установки служит одновременно направляющей рамой механизма подачи, по которой двумя гидроцилиндрами перемещается каретка подвижного вращателя. Нижняя часть мачты при переводе в рабочее положение располагается на незначительном расстоянии от поверхности земли. При этом домкраты, расположенные симметрично оси мачты в ее нижней части, в выдвинутом положении обеспечивают повышенную устойчивость конструкции при бурении и спуско-подъемных операциях. В верхней части мачты смонтирован кронблок однострунной оснастки. Подвижный вращатель представляет собой пятиступенчатый редуктор, приводимый от вертикального вала фигурного сечения. Благодаря шарнирному креплению на каретке, вращатель поворачивается в сторону от оси скважины при выполнении спускоподъемных операций, ударно-канатном бурении и при работе с обсадными трубами. В транспортном положении вращатель также может быть отведен в сторону. Для выполнения работ в темное время суток установка оборудована фарами, смонтированными на верхней траверсе мачты. Пульт управления установкой расположен слева по ходу транспортной базы. Для удобства управления и повышения безопасности машиниста буровой установки, его рабочее место оборудовано съемной откидной площадкой.

Модификация ЛБУ-50-04 оснащена гидравлическим трубодержателем, буровым сальником, дополнительными передними домкратами на буровом столе, повышающими устойчивость установки, инструментальными площадками по обеим сторонам платформы.

Виды работ:

·        вращательное шнековое и ударно-канатное бурение инженерных, гидрогеологических и технических скважин в породах до IV категории по буримости

·        бурение равнопроходными шнеками при сооружении свай и шпунтов проходка шурфов в породах до IV категории по буримости вращательным способом (рейсами) с использованием шнекового бура

·        вращательное колонковое и бескерновое бурение геологоразведочных, гидро- и инженерно-геологических, технических скважин в породах до VII категории по буримости с использованием в качестве очистного агента волы и водных растворов

·        вращательное колонковое и бескерновое бурение скважин различного назначения с очисткой забоя потоком сжатого воздуха в породах до VII категории по буримости

·        ударно-вращательное колонковое и бескерновое бурение скважин различного назначения с применением пневмоударных забойных машин в породах до X категории по буримости

Применяемый инструмент:

·   комплекты инструмента для бурения стандартными шнеками диаметром до 500 мм

·   комплекты инструмента для бурения равнопроходными шнеками диаметром до 470 мм

·   комплект бурового инструмента для сооружения шурфов диаметром до 1050 мм

·   комплект бурового инструмента для бурения скважин ударно-канатным способом

·   комплект бурового инструмента для бурения скважин колонковым способом с продувкой

·   комплект бурового инструмента для бурения скважин колонковым способом с промывкой

·   пневмоударники и специальные долота

Технические характеристики

Установка ЛБУ-50

Усилие подачи, кгс 6000

Усилие обратного хода, кгс 12000

Ход подачи, м 3850

Частота вращения шпинделя, об/мин 14-101, 24-171

Крутящий момент, макс, кгм 2000

Условная глубина бурения шнеком 70

Условная глубина бурения с продувкой 100

Условная глубина бурения с промывкой 200

Диаметр бурения шнековым буром 1050

Диаметр бурения с промывкой (нач/кон) 190,5

3.      Водозаборы, водозаборные сооружения

ВОДОЗАБОРЫ

Водозаборы - комплексы инженерных сооружений и оборудования ДЛЯ забора воды из поверхностных или подземных источников и подачи ее в водопроводы с целью транспортирования и последующего использования.

По назначению выделяют водозаборы хозяйственно-питьевые, технические, гидромелиоративные, теплоэнергетические; по способу подачи воды потребителю - самотечные, с насосным водоподъемом. Водозаборы поверхностных источников различаются по типу: из водотоков, водоемов; по расположению водоприемника: береговые, русловые, выносные; по условиям приема воды в водоприемник: поверхностные, глубинные, донные; по материалу водоприемника: железобетонные, бетонные, металлические, деревянные; по характеру подвижности: стационарные, плавучие, фуникулерные; по сроку эксплуатации: постоянные, временные. Водозаборы подземных вод разделяются на: вертикальные (буровые скважины, шахтные колодцы), горизонтальные (линейные открытые или закрытые дрены, галереи), комбинированные (лучевые водозаборы в виде сочетания шахтного колодца с горизонтальными скважинами в его стенках), каптажи естественных выходов подземных вод (родников). Выделяют одиночные (1-2 скв.) и групповые (более 2-х скв.) водозаборы из скважин.

В Беларуси для хозпитьевого водоснабжения приоритетное значение имеют В. подземных вод, главным образом, из артезианских скважин глубиной 20-300 м (более 40 тысяч), обеспечивающих качественной водой централизованное водоснабжение населенных пунктов. В сельской местности значительную роль в водообеспечении населения играют шахтные колодцы (около 400000 тысяч). В. из поверхностных источников, как правило, снабжают технической водой промышленные, энергетические и транспортные предприятия.

ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Водозаборные сооружения - головные части водозабора, предназначенные для подъема воды из водоисточника и подачи ее к насосной станции или прямо в магистральный водовод. Водозаборные сооружения иногда называют головными сооружениями. Должны обеспечивать бесперебойный забор воды и подачу в водохозяйственную систему в соответствии с графиком водопотребления, предохранять водовод от поступления в него мусора, шуги, льда и других загрязнении. Для этого на водозаборные сооружения поверхностных вод устраиваются наносозащитные и рыбозаградительные устройства, сороудерживающие решетки. Выбор источника, типа и конструктивной схемы водозаборное сооружение осуществляется на основании гидрологических и гидрогеологических изысканий, оценки и утверждения эксплуатационных запасов подземных вод.

В Беларуси наиболее широкое использование для хозпитьевых целей получили подземные источники, а в качестве водозаборных сооружений - в основном водозаборные скважины и шахтные колодцы. Количество, схема расположения и дебиты скважин (насосных станций первого подъема), сборных водоводов для приема и подачи воды на станции обезжелезивания (при необходимости), в резервуары чистой воды, насосную станцию второго подъема для дальнейшей подачи потребителям выбираются на основе гидрогеологических и технологических расчетов. Шахтные колодцы применяются при нецентрализованном водоснабжении для отбора воды из неглубоких безнапорных водоносных горизонтов (до 5-20 м). Глубина скважин и колодцев определяется глубиной залегания водоносных горизонтов, подлежащих вскрытию и эксплуатации, диаметр и водоприемная часть скважины - ее дебитом и электропогружным насосом.

В состав водозаборных сооружений из скважин входит также павильон из наземной и подземной части для защиты устья скважины от атмосферных осадков и грунтовых вод, размещения технологического оборудования и удобства обслуживания. Для водозаборных сооружений всех источников хозпитьевого водоснабжения, их защиты от загрязнения устанавливаются зоны санитарной охраны из трех поясов - строгого режима и ограничений.

Рис. 5. Схема водозабора: 1 - плот; 2 - якорь; 3 - свая; 4 - решетка; 5 - рыбо-удерживающее устройство; 6 - храпок насоса; 7 - насос; 8 - магистраль для подачи воды на насос .

Заключение

Проанализировав расчеты данной работы по скважинной гидродобыче песка, я сделал следующий вывод: метод СГД является приемлемым методом опробования поисково-оценочных скважин неглубоких месторождений строительных и стекольных песков.

Главным фактором, обеспечивающим эффективность СГД, является малооперационность и поточность основного процесса добычи, что обеспечивает возможность ее полной механизации и автоматизации. СГД обеспечивает исключение большинства недобычных операций по вскрытию. Обводненность месторождений и даже полное затопление добычной камеры существенно не затрудняет ведение технологического процесса добычи. Гидравлический размыв, доставка, подъем, и транспортировка руды позволяют осуществить попутное обогащение непосредственно у добычной скважины.

Простота основного оборудования предопределяет небольшие капитальные вложения. Дорогостоящие вскрышные работы заменяются бурением добычных скважин. С увеличением глубины разработки затраты на разработку месторождения возрастают незначительно. Попутное обогащение в процессе гидродобычи и гидротранспорта сокращает расходы на переработку руды и улучшает качество концентрата.

При СГД создаются благоприятные возможности по обеспечению охраны природы и безопасной работы. Отсутствие вскрышных работ в традиционном смысле позволяет сохранить в целостности культурный слой почвы, а при разработке месторождений в затопленной камере - режим поверхностных и подземных вод. Затраты на рекультивацию поверхности месторождения после СГД незначительны, так она сводится в основном к ликвидации разведочных и добычных скважин.

Список литературы

1.   Аренс В.Ж., Исмагилов Б.Г. «Скважинная гидродобыча полезных ископаемых», - М.: Недра, 1980.

2.      Аренс В.Ж. «Скважинная добыча полезных ископаемых», - М.: Недра, 1986.

3.   Бабец М.А. Современные геотехнологии добычи твердых полезных ископаемых скважинным методом. Учебно-методическое пособие. - Мн.:БГПА, 2007. - 111 с.

.     Иогансен К.В. «Спутник буровика», - М.: Недра, 1990.

.     Хомич П.З. «Полезные ископаемые Беларуси», Минск «Адукацыя i выхаванне», 2002.