Обґрунтування параметрів технології відпрацювання виймальних камер при гідровидобутку цеоліт-смектитового туфу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Обґрунтування параметрів технології відпрацювання виймальних камер при гідровидобутку цеоліт-смектитового туфу

аспірант Стець С.Е.

д.т.н., професор Маланчук З.Р.

Аннотация

У представленій роботі наведені результати досліджень по вибору оптимальної технологічної схеми відпрацювання виймальної камери в пласті цеоліт-смектитового туфу при свердловинному гідровидобутку.

Annotation

In the presented work the results of researches are resulted on the choice of optimum technological scheme of working off a mining chamber in the zeolit-smectite tuff layer.

Схема очисного виймання камери, її параметри, взаємна ув'язка процесів видобування при застосуванні методу свердловинного гідровидобутку визначаються конкретними умовами розробки родовища та повинні забезпечувати задану продуктивність видобутку при мінімальних питомих витратах води і максимально повному видобутку. Форма очисного вибою, послідовність і напрямок очисного виймання крім параметрів, які характеризують елементи залягання родовища, також визначаються обладнанням, що застосовується і способами ведення технологічного процесу [1].

Вибір схеми відпрацювання видобувної камери і в подальшому вибір оптимального варіанта системи розробки, під яким розуміють порядок розташування, проходки і відпрацювання видобувних свердловин, узгоджений в часі і просторі, є одними із основних питань проектування розробки родовища методом свердловинного гідровидобутку [2, 3].

Відпрацювання видобувної камери розділяється по напрямку дії струмини гідромонітора і схеми доставки зруйнованої породи до всмоктувального патрубка видавильного пристрою, яка залежить від кута падіння пласта породи.

Метою проведених досліджень по вибору схеми відпрацювання камери було визначення найбільш ефективного способу руйнування і виймання туфу, вибору методу проведення виймальних робіт, а також визначення характеристик видобувного обладнання.

Дослідження параметрів технології виймання корисної копалини з камери в природних умовах здійснити надзвичайно важко, тому експерименти проводились в лабораторії на модельному стенді (рис. 1). Виконати абсолютно відповідне моделювання свердловинного гідровидобутку туфів практично неможливо, тому результати досліджень мають тільки кількісний характер.

Рис. 1. Схема для вивчення технології відпрацювання камер виймання: 1 - порода покрівлі; 2 - пласт цеоліт-смектитового туфу; 3 - підстеляюча порода; 4 - видобувна камера; 5 - ерліфт; 6 - форсунка ерліфта; 7 - всмоктувальний патрубок; 8 - повітрявідділювач тарільчатого типу; 9 - колона обсадних труб (свердловина); 10 - гідромонітор; 11 - гідросуміш

Вивчалися три схеми відпрацювання камери: зустрічним, попутним вибоєм і циркуляційним потоком.

За першою схемою виймальні роботи проводились секторами навколо видобувної свердловини.

У другій схемі відпрацювання спочатку відбувалося збиванням видобувних свердловин 9 каналом з подальшим його розширенням. При цьому свердловинні гідромонітори 10 працювали один на одного, утворюючи сприятливі умови не тільки для руйнування, але і для транспортування породи в камері 4, так як енергія струмини гідромонітора 10 використовується найбільш раціонально при співпаданні напрямків руху гідросуміші 11 і просування вибою. Важливою перевагою цієї схеми є робота видобувного обладнання в ціликах з вийманням породи в просторі між свердловинами.

Третя схема наближена до першої і передбачає утворення первинної камери не на всьому радіусі ефективної дії струмини. Поступове і неперервне повертання насадки гідромонітора утворює кругову циркуляцію гідросуміші в привибійній зоні камери. Енергія струмини в цьому випадку використовується і для транспортування гідросуміші до видавального пристрою.

Досліди проводились при діаметрах насадок гідромонітора d₀, рівних 4,2 і 6,0 мм, зміні тиску води Н₀ від 0,2 до 0,7 МПа і потужності пласта 0,08...0,19 м. Продуктивність ерліфта 5 і густина гідросуміші 11 вимірювались мірними ємностями. Модельний пласт 2 представлений цеоліт-смектитовими туфами з базальтового кар'єру с. Іванчі, відібраними з глибини 15,2м. Покрівля 1 і підошва 3 пласта виготовлялася відповідно з базальтів і лавобрекчій. Стінки лабораторної установки виготовлялися з прозорого скла для точного визначення форми і розмірів камери 4. Притискні накладки створювали можливість навантажувати пласт.

Усереднені дані досліджень видобування туфів зустрічним вибоєм представлені на рис. 2.

виймальний камера свердловинний гідровидобуток

Рис. 2. Залежність швидкості і часу розмиву від дальності вибою: 1,2,3 - залежності швидкості розмиву u від дальності вибою l; 4,5,6 - залежності часу розмиву t від дальності вибою l; 1,4 - d₀ = 4,2 мм, Н₀ = 0,7 МПа; 2,5 - d₀ = 6,0 мм, Н₀ = 0,2 МПа; 3,6 - d₀ = 4,2 мм, Н₀ = 0,2 МПа

Дослідження показали, що збільшення діаметра насадки і тиску води збільшують швидкість розмиву і підвищують ефективність відпрацювання камери виймання (рис. 2, графіки 1,2,3), але збільшення ефективності обмежується продуктивністю видавального пристрою. Збільшення тиску води в насадці гідромонітора створює збільшення густини гідросуміші лише до певної межі (с_г = 1,3 г/см³).

Аналіз результатів досліду показав, що на деякій відстані від насадки швидкість просування вибою залишається незмінною (для різних діаметрів насадок). Тому при розробці технології відпрацювання камер в щільних породах, якими є туфи на глибині понад 50 м, необхідно орієнтуватися на робочі характеристики початкової ділянки струмини. При розробці слабозцементованих туфів (на глибинах до 50 метрів) в умовах незатопленого вибою технологія видобування повинна враховувати не тільки використання всієї дальності дії струмини, але і потоків що від неї відходять і приймають участь в транспортуванні гідросуміші.

При відпрацюванні пласта шарами зверху вниз при односвердловинній схемі видобутку утворюються сприятливі умови для притоку гідросуміші до видавального пристрою. Навколо всмоктувача ерліфта утворюється конусний зумпф, діюча зверху струмина не перешкоджає стоку гідросуміші. Коли ерліфт не забезпечує виймання всієї гідросуміші і відбувається його завалювання, баланс води в камері порушується, що призводить до її затоплення і зниження ефективності роботи свердловинного обладнання.

Дослідження технології відпрацювання камер попутним вибоєм проводились по двох схемах - збиванням породи і відпрацюванням всієї потужності пласта, та пошарово зверху до низу. До з'єднання свердловин зруйнована порода подавалась на поверхню через свердловину, в яку опускався гідромонітор. Після з'єднання свердловин гідромонітори руйнували пласт і попутно транспортували гідросуміш до протилежної свердловини, в якій знаходився ерліфт. При пошаровому збиванні і відпрацюванні з від'ємним балансом води в камері ерліфти працювали в усталеному режимі. Збивання і виймання руди забезпечувалось послідовним поворотом насадок на кут 3...5°.

Досліди показали, що з'єднання свердловин доцільно вести при високих тисках і невеликих діаметрах насадок; потужність відпрацьованих пластів повинна складати 0,3...0,5 м в перерахунку на натуральні розміри; періодичні повороти насадок в горизонтальній площині повинні здійснюватися на кут 3...5°; час повороту насадок визначається консистенцією гідросуміші; максимальний кут повороту насадки від початкового напрямку (на протилежну свердловину) складає 20°. При кутах 25° утворюється глухий вибій і взаємодія свердловин припиняється.

Дана схема видобутку є перспективною тільки для виймання породи в ціликах. Обмеженням до її застосування є малий кут відхилення від осі розмиву.

Розмив пласта і відпрацювання камер циркуляційним потоком проводилось по двох схемах: одно і двосвердловинній. При роботі по першій схемі насадку гідромонітора повертали в горизонтальній площині на 3...5° до досягнення граничного радіуса розмиву. При цьому в присвердловинній зоні утворювалася первинна виробка, вздовж стінки якої циркулював потік гідросуміші і замикався на ерліфті. Особливість цієї схеми відпрацювання полягає в тому, що епюра швидкостей потоку нерівномірна - біля стінки камери швидкості максимальні і по ширині потоку до центру камери спадають до нуля. В центрі відпрацьованої камери відбувалося відкладання частинок породи і для їх змиву туди направлялася струмина, в результаті чого циркуляційний потік призупинявся. Досліди показали, що незалежно від потужності відпрацьованого шару породи, тиску води і діаметра насадки розробка зупинялася при повороті насадки на 25° від початкового положення.

Процес відпрацювання камери з підрізанням пласта по підошві виявився менш ефективним через обвалювання руди і порушення циркуляційного потоку. Дослідження показали, що при циркуляційній схемі відпрацювання кращим є збільшення тиску на насадці для зростання швидкості потоку. Затоплення камери різко знижує ефективність відпрацювання. Пошарове видобування циркуляційним потоком при рівних умовах скорочує час відпрацювання камери однакового розміру на ?25%.

В результаті експериментів встановлені раціональні параметри циркуляційної схеми в незатопленому вибої: потужність розроблюваного шару складає 6...8 діаметрів насадки гідромонітора; продуктивність ерліфта по гідросуміші обов'язково більша за витрату води через гідромонітор. Схема дуже чутлива до зміни режимів роботи гідромонітора і ерліфта і тому її доцільно застосовувати для породи з рівномірним гранулометричним складом. Через обмеження розмірів виробки і малої стійкості циркуляції в привибійній зоні циркуляційна схема менш ефективна в порівнянні з двома попередніми. ЇЇ ефективність відзначалася тільки на початку утворення виймальної камери.

Таким чином в результаті проведених досліджень встановлено, що найбільш ефективною і перспективною до застосування для свердловинного гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів є односвердловинна схема видобутку із зустрічним вибоєм, при якій розмив відбувається по секторах і утворюються виймальні камери круглої форми (рис. 3). А враховуючи, що покрівлею цеоліт-смектитових туфів є потужні пласти базальтів, найбільш раціональною системою розробки є камерна система з відкритим очисним простором, в якій видобуток туфів буде проводитись шарами. Шари необхідно оформляти з похилом, достатнім для самопливного переміщення зруйнованої породи.

Рис. 3. Камерна система розробки з ціликами: 1 - свердловина; 2 - виймальна камера; 3 - міжкамерні цілики

Розміри видобувної камери визначаються допустимою площею оголення порід покрівлі та стійкістю ціликів.

Оскільки фактор керування гірським тиском є одним із головних, то для різних систем розробки встановлюється граничний радіус розмиву R як функція граничного прольоту покрівлі.

Найбільш раціональними за параметрами R=f(L_пр) є саме системи з круглими камерами в яких R<L_пр і дорівнює:

(1)

Радіус розмиву цеоліт-смектитових туфів встановлюється з урахуванням тиску насоса за мінусом втрат напору в трубопроводі і визначається за формулою:

(2)

де d₀ - діаметр насадки;

Н₀ - тиск робочого агента в насадці.

Аналіз існуючих методів розрахунку ціликів показав, що всі методики відносяться до міцних порід. Але, як відомо, під дією води туфи значно зменшують свою міцність і тому утворені між видобувними камерами цілики з часом стануть слабозцементованими, для яких відсутні методи розрахунку. Крім того, в результаті відпрацювання пласта туфу одиночними камерами утворюються фігурні цілики, що також ускладнює розрахунок. В цьому випадку доцільно використати методику розрахунку ціликів О.М. Шашенка і В.П. Пустовойтенка [4], основану на теорії граничної рівноваги, де визначається навантаження, що руйнує цілик, і ширина цілика, а розрахунок здійснюється для стрічкових ціликів. У зв'язку з цим у відомі розрахункові формули необхідно ввести поправку, яка б враховувала заміну фігурних ціликів на еквівалентні по формі стрічкові. Ця заміна враховується введенням в розрахункову формулу коефіцієнта форми.

Розрахунки розмірів камери і ціликів дозволять визначити параметри сітки розташування видобувних свердловин для запропонованої системи розробки.

Література

1. Маланчук З.Р. Научные основы скважинной гидротехнологии. Монография - Ровно: РГТУ, 2002. С.372.

2. Научные основы комплексного освоения недр / Э.И. Черней, Р.М. Постоловский, Н.Г. Сорока, О. Э. Черней, З.Р. Маланчук, Я. Б. Петровский, А. Д. Калько. - Ровно: Ровен. обл. тип., 2002. - В 2-ох томах. - том1.-859 с.; том. 2 -764 с.

3. Баранов Ю.Д., Блюсс Б.А., Семененко Е.В., Шурыгин В.Д. Обоснование параметров и режимов работы систем гидротранспорта горных предприятий. - Днепропетровск: Новая идеология, 2006. - 416 с.

4. Шашенко А.Н., Пустовойтенко В.П. Механика горных пород: Підручник для ВУЗів. К.: Новий друк, 2004. -400 с. іл.-Рос.

Размещено на Allbest.ru