Скважинная добыча оболового песка
Министерство
образования и науки Украины
Донбасский
государственный технический университет
Кафедра:
РМПИ
Контрольная
работа
на тему:
«Скважинная добыча оболового песка»
Выполнил:
ст. гр. ГИ-10-1
Войченко
Г.О.
Проверил:
Антюхов С.В.
Алчевск 2014
Исходные данные
1. Средняя плотность
вышележащих пород, кг/м3 - кг/м3
. Глубина залегания пласта, м
- м
. Коэффициент сцепления
полезного ископаемого -
. Угол внутреннего трения, 0
- 0
. Давление развиваемое
насосом, МПа - МПа
. Диаметр трубопровода, м - м
. Длина трубопровода между
насосом и скважиной, м - м
. Диаметр выходного отверстия
гидромониторной насадки, мм -
мм
. Расход воды (подача
насоса), м3/час - м3/час
. Глубина погружения, м - м
. Плотность гидросмеси, кг/м3
- кг/м3
. Высота излива над поверхностью,
м - м
1. Расчет затопленной гидромониторной струи
.1 Нормальная нагрузка на разрушенный пласт -
это воздействие веса вышележащих пород со средней плотностью σ,
МПа
, МПа (1.1)
где Н - глубина залегания пласта (по
почве), м
(м - исходное данное № 2);
γтв - средняя плотность
вышележащих пород, кг/м3
(кг/м3 - исходное данное № 1).
1.2 Поровое давление - это давление в свободной
воде содержащейся в порах породы
Принимаем поровое давление равное
гидростатическому
, м.в.с. (1.2)
где Н - глубина залегания пласта, м
(- исходное
данное № 2).
1.3 Эффективное напряжение в пласте полезного
ископаемого
, МПа (1.3)
где σ - нормативная
нагрузка на пласт (напряжение), Мпа
(МПа - из формулы 1.1);
Ргидр - поровое давление, МПа
(МПа - из формулы 1.2).
МПа
.4 Сопротивление сдвигу - этим параметром
характеризуется прочность рыхлых слабосцементированных в основном
водонасыщенных песчано-глинистых пород
, МПа (1.4)
где С0 - коэффициент сцепления
полезного ископаемого
( - исходное данное № 3);
σэ - эффективное напряжение в
пласте полезного ископаемого,
МПа (МПа - из формулы 1.3);
φ - угол внутреннего трения, 0
(0 - исходное
данное № 4).
МПа
.5 Минимальная удельная сила удара
достаточная для разрушения песка с сопротивлением сдвигу МПа
МПа (1.5)
1.6 Потери напора в сети - потери в приемной
сетке, в подводящем трубопроводе, колене, водоводе, тройнике и задвижках
, МПа (1.6)
где D - диаметр
трубопровода, м
(м - исходное данное № 6);
L - длина
трубопровода между насосом и скважиной, м
(м - исходное данное № 7).
МПа
1.7 Давление воды на входе в насадку
МПа (1.7)
где Р - давление развиваемое
насосом, МПа
(МПа - исходное данное № 5);
ΔРс - потери напора в сети,
МПа
(МПа - из формулы 1.6);
Ргидр - поровое давление, МПа
(МПа - из формулы 1.2);
ΔРг - потери напора в
гидромониторе, МПа
(МПа - из [1]).
.8 Определить начальную скорость
воды в струе по формуле
, м/с, (1.8)
где - коэффициент скорости ( из [1]);
- ускорение свободного падения,
м/с2 ( м/с2 из
[1]);
P0 - давление
воды на выходе из насадки, м.в.с
(м.в.с - из формулы 1.7).
м/с
.9 Определить опытную величину (n) в
зависимости от гидростатического давления воды (Ргидр) используя данные таблицы
1
Таблица 1.1
Ргидр,
МПа
|
≤0,4
|
0,8
|
1,2
|
1,6
|
2,0
|
n
|
1,87
|
1,471
|
1,002
|
0,561
|
0,2
|
В заданных условиях МПа (из
формулы 1.2), поэтому .
.10 Определить коэффициент структуры
потока струи по формуле
, (1.9)
где а0 - коэффициент структуры для
незатопленной струи
( из [1]);
n - опытная
величина (из таблицы
1);
Ргидр - гидростатическое давление
воды, МПа
( МПа из формулы 1.2)
1.11 Минимальная удельная сила удара
струи о забой - это функция расстояния между гидромониторной насадкой и забоем
, МПа (1.10)
где U0 -
начальная скорость воды в струе, м/с
(м/с - из формулы 1.8);
а - коэффициент структуры потока
струи
( - из формулы 1.9);
l -
расстояние между гидромониторной насадкой и забоем, м
(искомый параметр);
rн - радиус
выходного отверстия гидромониторной насадки, м
(м - исходное условие № 8).
Минимальная удельная сила удара
струи равна МПа (из
формулы 1.5).
Преобразуем формулу 1.10 для
получения искомого параметра
м
Проведем проверку
МПа
2. Расчет производительности
гидравлического разрушения
Производительность гидравлического
разрушения - это объем породы, разрушенный за единицу чистого добычного
времени, м3/ч.
Для рыхлых и слабосцементированных
оболовых песков и песчаников производительность разрушения почти линейно
зависит от давления воды в насадке монитора.
.1 Определить производительность
гидравлического разрушения оболового песка по формуле
, т/ч (2.1)
где k - опытная
постоянная, зависящая от диаметра насадки (dн)
( - из таблицы 2.1).
Р0 - давление воды на входе в
насадку, МПа
(МПа - из формулы 1.7).
Таблица 2.1
Диаметр
насадки (dн), мм
|
11
|
15
|
23
|
Опытная
постоянная (k)
|
1,2
|
2,0
|
4,8
|
В заданных условиях мм (исходное
данное № 8), поэтому
т/ч
2.2 Определить секундный расход воды
по формуле
, м3/с (2.2)
где Q - подача
насоса, м3/ч (м3/ч -
исходное данное № 9).
м3/с
.3 Определить мощность
гидромониторной струи по формуле
где Q/ -
секундный расход воды, м3/с (м3/с - из формулы 2.2);
Р0 - давление воды на входе в
насадку, МПа
(МПа - из формулы 1.7).
кВт
.4 Определить удельную энергоемкость
разрушения забоя по формуле
, кВт · ч/т (2.4)
где N - мощность
гидромониторной струи, кВт
(кВт - из формулы 2.3);
П - производительность
гидравлического разрушения, т/ч
(т/ч - из формулы 2.1).
кВт · ч/т
.5 Определить удельный расход
напорной воды по формуле:
, м3/т (2.5)
где Q - расход
воды, м3/ч (м3/ч -
исходное данное № 9).
м3/т
2.6 Изобразить схему скважинной
гидродобычи с указанием полученных расчетных параметров (рисунок 2.1)
Рисунок 2.1 - Схема скважинной
гидродобычи оболового песка телескопическим гидромонитором
- водоём; 2 - всас; 3 - подводящий
трубопровод; 4 - центробежный насос; 5 - напорный трубопровод; 6 - задвижка; 7
- сбросная задвижка; 9 - верхнее колено; 10 - вертикальный став гидромонитора;
14 - центральная насадка; 15 - боковые насадки; 16 - эрлифт; 17 - добычная
камера; 18 - скважина гидромонитора; 19 - скважина эрлифта.
3. Выбор способа гидравлического
подъема руды
Различают следующие средства подъема
руды: землесосы, гидроэлеваторы, эрлифты, гидроэрлифты (комбинированный
способ).
Рассмотрим вариант способа
гидравлического подъема руды при помощи эрлифта.
Область применения эрлифтного
подъема - разработка обводненных месторождений, когда добычная камера и
скважина затоплены водой.
Достоинства способа: простота
конструкции; отсутствие движущихся частей; высота подъема гидросмеси
практически неограниченна.
Недостаток способа: низкий К.П.Д.
(10-30 %).
Принципиальная схема эрлифта
показана на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 - Принципиальная схема
эрлифта
hст - глубина
погружения, м; Н/ - высота подъема, м; hпр - высота
излива эрлифта над поверхностью, м; Н - глубина разработки по почве, м.
4. Расчет эрлифта
.1 Определить высоту подъема пульпы
по формуле:
, м (4.1)
где Н - глубина разработки по почве,
м
(м - исходное данное № 2);
hст - глубина
погружения, м (м - исходное
данное № 10);
hпр - высота
излива над поверхностью, м
(м - исходное данное № 12).
м
.2 Определить относительный уровень
воды в скважине по формуле:
, (4.2)
где Н/ - высота подъема пульпы, м (м - из
формулы 4.1);
hст - глубина
погружения, м (м - исходное
данное № 10).
4.3 Определить изометрический
коэффициент полезного действия эрлифта (ηиз) по таблице 4.1
Таблица 4.1
а
|
0,1-0,15
|
0,15-0,25
|
0,25-0,35
|
0,35-0,50
|
ηиз
|
0,25
|
0,32
|
0,36
|
0,40
|
В заданных условиях (из формулы
4.2), поэтому .
.4 Определить относительную
плотность гидросмеси по формуле
, кг/м3 (4.3)
где γв -
плотность воды, кг/м3 (кг/м3 из
[1]);
γг - плотность гидросмеси,
кг/м3
(кг/м3 - исходное данное № 11).
кг/м3
.5 Определить расход сжатого воздуха
по формуле
, м3/мин (4.4)
где Q/ - часовая
производительность эрлифта, м3/ч
(м3/ч - исходное данное № 9);
Н/ - высота подъема пульпы, м (м - из
формулы 4.1);
- относительная плотность
гидросмеси, кг/м3
(кг/м3 - из формулы 4.3).
м3/мин
, мм (4.5)
где Vв - расход
сжатого воздуха, м3мин
(м3/мин - из формулы 4.4).
мм
.7 Определить диаметр пульпоподъемной
трубы по формуле
, см (4.6)
где Q/ - часовая
производительность эрлифта, м3/ч
(м3/ч - исходное данное № 9);
а - относительный уровень воды в
скважине
( - из формулы 4.2).
см
гидравлический руда
подъем гидросмесь
4.8 Определить рабочее давление
сжатого воздуха по формуле
, МПа (4.7)
где hст - глубина
погружения, м (м - исходное
данное № 10);
Р1 - потери давления воздуха в
воздушной трубе эрлифта, МПа
(МПа - из [1]).
МПа
.9 Определить производительность
компрессора по формуле
, м3/мин (4.8)
где Vв - расход
сжатого воздуха, м3/мин
(м3/мин - из формулы 4.4).
м3/мин
5. Технология добычи
.1 Технологическая схема выемки руды
При скважинной гидродобыче, под
технологией добычи понимается совокупность производственных операций по
разрушению и смыву руды, увязанных в пространстве и времени.
Известны следующие технологические
схемы выемки руды в камере:
- попутным забоем, когда направление
разрушающей струи полностью или частично совпадает с направлением смывающей
насадки;
- встречным забоем, когда
направление разрушающей струи не совпадает с направлением смывающей насадки;
- совмещенным забоем, когда струи
боковых насадок гидромонитора попутным забоем разрушают пласт руды и смывают ее
к всасу пульпоподъемного механизма, а струи передних насадок встречным забоем
разрабатывают пласт.
В данных условиях пласт имеет
горизонтальное залегание (рис. 1.1), поэтому принимаем доставку разрушенной
руды к всасу эрлифта гидромониторной струи.
Т.к. ранее нами принято решение о
расположении гидромониторных и эрлифтных скважин в центре добычной камеры, то
наиболее подходящими технологическими схемами выемки руды в камере являются
схемы со встречными или совмещенными забоями.
Эти схемы предопределяют форму
добычной камеры. Принимаем форму камеры в плане - круглую. Согласно опытным
данным [2] радиус добычной камеры при разработке оболовых слабосцементированных
песков на глубине 20-40 м может достигать 7-8 м. На основании этого
окончательно принимаем для заданных условий технологическую схему выемки руды
со встречным забоем - когда направление доставки руды к всасу эрлифта
противоположное направлению гидромониторной струи, разрушающей забой.
Рисунок 5.1 - Технологическая схема
выемки руды в камере встречным забоем
.2 Система разработки рудного тела
Под системой разработки при
скважинной гидродобыче понимается порядок расположения, проходки и отработки
добычных скважин, увязанный в пространстве и времени. При скважинной
гидродобыче нашло широкое применение классификация систем разработок по способу
управления горным давлением:
система разработки с открытым
очистным пространством;
система разработки с обрушением
вмещающих пород;
система разработки с закладкой
выработанного пространства.
В заданных условиях величина
устойчивого пролета камеры позволяет применять систему разработки с открытым
очистным пространством. Из трех известных вариантов этой системы разработки
(камерный с целиками; блоковый с ленточными целиками; камерный с
звездообразными целиками) применяем камерную систему разработки с целиками,
потому что ранее нами обосновывалась круглая форма камеры, а также сдвоенное
расположение эрлифта и гидромониторной скважины.
Одним из основных параметров этой
системы разработки, имеющим большое практическое значение являются так
называемая сетка скважин (расстояние между скважинами соседних камер, при
расположении скважин в углах квадратной сетки).
Радиус добычной камеры определяется
по формуле:
, м (5.1)
где l1 -
максимальная длина телескопического ствола гидромонитора,
м (принять к расчету м);
l -
расстояние между гидромониторной насадкой и забоем, при котором происходит
разрушение забоя затопленной струей, м (м из формулы 1.10).
м
Необходимая площадь максимально
устойчивого целика определяется по формуле:
, м2 (5.2)
м2
Расстояние между скважинами соседних
камер определяется по формуле:
, м (5.3)
м
Окончательно принимаем сетку скважин
из условия:
при : , м; (5.4)
при : , м. (5.5)
Так как , поэтому м.
Камерная система разработки с
целиками и открытым выработанным пространством с указанием основных параметров
изображена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Камерная система
разработки с целиками и открытым выработанным пространством.
Литература
1.
Аренс В.Ж. и др. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. / Аренс
В.Ж., Исмагилбеков Б.В., Шпак Д.Н. - М.: Недра, 1980. - 229 с.
.
Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). / Аренс В.Ж.
- М.: Недра, 1986. - 279 с.