Расчет скважинной гидродобычи песчано-глауконитовых пород плотностью 2600 кг

1.

к.т.н. горный инженер, геотехнолог, гидрогеолог
Николай Дмитриевич Бычек (Россия. Астрахань)
Астрахань. тел. +7 927 586 3826 e-mail: sapropex@mail.ru
Расчет скважинной гидродобычи песчано-глауконитовых пород плотностью 2600
кг/м3
1. Исходные данные:
Глубина залегания пород: 25 м
Внутренний диаметр водоподающей трубы: 78 мм
Диаметр пульповыдачной трубы: 152 мм
Диаметр камеры смешения гидроэлеватора: 140 мм
Длина камеры смешения: 694 мм
Длина диффузора: 135 мм
Уровень пульпы в скважине: 24,6 м (он должен быть ниже насадки гидроэлеватора
на 30-50 см)
Гидромонитор подключен выше гидроэлеватора на 1 м
2. Определение расхода воды на гидромонитор и гидроэлеватор
Оптимальное соотношение расхода воды между гидромонитором и гидроэлеватором
определяется из условия баланса давления и производительности насоса.
Давление на выходе насоса (P):
Расход воды (Q) через трубу диаметром 78 мм при скорости потока 2–3 м/с:
Оптимальное соотношение расхода:
Гидромонитор: 40% (4,8 л/с)
Гидроэлеватор: 60% (7,2 л/с)
3. Расчет диаметров насадок
а) Гидромонитор:

2.

При μ = 0.9 и H = 25 м:
d ≈ 15 мм
б) Гидроэлеватор:
Для эффективного всасывания:
4. Дальность размыва гидромонитором
Для песчано-глауконитовых пород k = 1.5:
5. Объем и консистенция пульпы
Производительность гидроэлеватора:
Консистенция (плотность):
При C = 0.3:
6. Заключение о работоспособности
Система способна работать, но КПД может быть низким из-за потерь в трубах.
Гидроэлеватор требует точной настройки для предотвращения кавитации.
Контролировать уровень и концентрацию пульпы для предотвращения
перегрузки. Это достигается необходимым количеством воды в зоне
всасывания гидроэлеватора и достаточным объемом зоны. При диаметре
трубы всасывания 100-140 мм и плотности пульпы 1350 кг/м3 потребуется
диаметр зоны всасывания 840 мм!

3.

Вывод: Система работоспособна, но выполнения вышеуказанных условий
Для выбора насоса необходимо определить требуемую производительность (Q) и напор
(H) с учетом гидравлических потерь и характеристик системы.
1. Расчет требуемой производительности насоса
Общий расход воды складывается из расходов на гидромонитор и гидроэлеватор:
Гидромонитор: 4,8 л/с (40% от общего расхода)
Гидроэлеватор: 7,2 л/с (60% от общего расхода)
Суммарный расход:
2. Расчет требуемого напора насоса
Напор должен покрывать:
Геодезическую высоту подъема (Hг): 25 м (глубина скважины)
Потери напора в трубах (Hпот)
Рабочее давление на выходе гидромонитора (Pгидр)
Необходимый напор для гидроэлеватора (Hэл)
2.1. Потери напора в водоподающей трубе (D=78 мм, L=25 м)
Скорость воды в трубе:
Потери по длине (по формуле Дарси-Вейсбаха):
Принимаем коэффициент трения λ = 0.03:
2.2. Рабочее давление гидромонитора
Для эффективного размыва пород требуется давление не менее 0.5 МПа (≈50 м вод. ст.).
2.3. Напор для гидроэлеватора
Гидроэлеватор требует давления на входе 20–30 м вод. ст.
2.4. Суммарный требуемый напор

4.

(Если гидроэлеватор и гидромонитор работают от одного насоса, напор должен быть
достаточным для обоих устройств.)
3. Выбор насоса (минимального по подаче и производительности)
Требуемые параметры:
Производительность (Q): 43.2 м³/ч
Напор (H): 78 м
Рекомендуемые типы насосов:
1. Центробежный насос (высоконапорный)
o Например, ЦНС 60-78 (60 м³/ч, 78 м)
o Подходит для чистой воды с примесями песка.
2. Многоступенчатый насос
o Например, Grundfos CR или Wilo Multivert (если нужна регулировка).
5. Рекомендации
Лучший вариант: ЦНС 60-78 (центробежный, 60 м³/ч, 78 м).
Если потери давления окажутся выше, можно взять насос с запасом (например, 90
м).
Вывод: Насос должен обеспечивать ~43 м³/ч при напоре 78 м. Подходящие модели
– ЦНС 60-78, Grundfos CR 45-6 или Wilo Multivert MV 40-80.
Расчет минимального объема размыва пород, производительности добычи и
консистенции пульпы
1. Объем размываемой породы гидромонитором за час
Исходные данные:
Расход воды на гидромонитор: 4,8 л/с = 17,28 м³/ч
Скорость размыва песчано-глауконитовых пород: 0,3–0,5 м³/м³ воды (для
необводненных пород)
Принимаем средний коэффициент размыва k = 0,4 м³/м³
Расчет:
Масса размытой породы (плотность 2600 кг/м³):

5.

2. Производительность добычи (объем пульпы) при данном выборе насоса
Гидроэлеватор откачивает смесь воды и породы.
Расход воды на гидроэлеватор: 7,2 л/с = 25,92 м³/ч
Объем породы в пульпе: 6,91 м³/ч
Общий объем пульпы:
Массовый расход пульпы:
3. Консистенция (плотность) пульпы
Плотность пульпы:
Твердосодержание (по массе):
Твердосодержание (по объему):
4. Заключение
Объем размыва породы: ~6,9 м³/ч (≈17,9 т/ч).
Производительность добычи (пульпы): ~32,8 м³/ч.
Плотность пульпы: ~1337 кг/м³ (твердосодержание 21% по объему, 41% по
массе).
Рекомендации:
1. Плотность пульпы 1337 кг/м³ допустима для гидротранспорта, но близка к
верхнему пределу (обычно до 1400 кг/м³). При превышении данного значения
система перестает работать!
2. Если нужно увеличить производительность добычи, можно:
o Повысить расход воды на гидромонитор (но потребуется более мощный
насос).
o Увеличить диаметр пульповыдачной трубы (снизить гидравлические
потери).

6.

3. Для предотвращения засоров следует контролировать крупность
частиц (желательно до 5–10 мм),
4. Для предотвращения сбоя работоспособности требуется расширение зоны
всасывания до расчетных значений (см. выше).
Вывод: Система обеспечивает добычу ~17 т/ч при стабильной работе гидроэлеватора.
Оптимизация возможна за счет регулировки расходов воды.
Итоговая таблица параметров скважинной гидродобычи при подборе насоса по
минимально необходимым производительности и напоре
Параметр
Значение
Комментарий
Глубина залегания пород
25 м
Стандартная глубина для
гидродобычи
Диаметр водоподающей
трубы
78 мм
Оптимально для расхода 12
л/с
Диаметр пульповыдачной
трубы
152 мм
Обеспечивает
транспортировку пульпы
Расход воды (общий)
12 л/с (43,2 м³/ч)
4,8 л/с – гидромонитор, 7,2 л/с
– гидроэлеватор
Напор насоса
78 м
С учетом потерь и давления
на гидромонитор
Диаметр насадки
гидромонитора
15 мм
Оптимально для давления 50
м
Диаметр насадки
гидроэлеватора
42 мм
Обеспечивает всасывание
пульпы
Дальность размыва
гидромонитора
7,5 м
Достаточно для скважинной
разработки
Объем размыва породы
6,9 м³/ч (~17,9 т/ч)
Плотность породы – 2600
кг/м³
Производительность добычи
(пульпа)
32,8 м³/ч
Включая воду и породу
Плотность пульпы
Диаметр зоны всасывания с
уклоном днища
1337 кг/м³
Не менее 800-900
мм
Твердосодержание: 21% (об.),
41% (масс.)
Рекомендуемый насос
Центробежный
(ЦНС 60-78)
Q = 43,2 м³/ч, H = 78 м

7.

Выводы
1. Система работоспособна и обеспечивает добычу ~17 т/ч песчано-глауконитовых
пород.
2. Гидромонитор эффективно размывает породу (дальность 7,5 м),
а гидроэлеватор стабильно транспортирует пульпу.
3. Плотность пульпы (1337 кг/м³) находится в допустимых пределах для
гидротранспорта.
4. Напор насоса (78 м) достаточен, но близок к пределу – возможны потери при
увеличении глубины.
Рекомендации по улучшению эффективности
1. Оптимизация гидравлики (желательно, но необязательно)
Увеличить диаметр водоподающей трубы до 100 мм – снизит потери напора.
Проверить кавитационный запас насоса – при глубине 25 м возможны
проблемы с всасыванием.
Использовать регулируемый насос (например, с частотным приводом) для
гибкого управления расходом.
2. Повышение производительности добычи
Увеличить расход воды на гидромонитор до 6–7 л/с (при наличии запаса по
напору, за счет увеличения диаметра насадки)
Проверить крупность частиц – если фракция >10 мм, возможны засоры.
3. Контроль работы системы
Мониторить уровень пульпы в скважине (не должен превышать 24,6 м).
Измерять плотность пульпы (если >1400 кг/м³ – риск заиливания).
4. Альтернативные решения
Раздельные насосы для гидромонитора и гидроэлеватора – повысит стабильность
работы.
Использование эрлифта вместо гидроэлеватора – если породы слабосвязные.
Заключение
Предложенная схема скважинной гидродобычи эффективна для необводненных песчаноглауконитовых пород плотностью 2600 кг/м3.