Расчет комбинированной скважинной гидродобычи сапфироносных слабосцементированных песчано-глинистых мелко-галечниковых пород

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 комбинированной скважинной гидродобычи сапфироносных
слабосцементированных песчано-глинистых мелкогалечниковых пород
1. Исходные данные:
Плотность породы (ρ_p) = 2600 кг/м³
Глубина скважины (H) = 30 м
Напор насоса (P) = 6,1 МПа (≈ 622 м вод. ст.)
Общая подача насоса (Q) = 108 м³/ч = 0,03 м³/с
Внутренний диаметр водоподающей трубы (d_w) = 78 мм
Диаметр пульповыдачной трубы (d_p) = 152 мм
Площадь сечения камеры смешения (A_k) = 15318,4 мм² = 0,0153184 м²
Длина камеры смешения (L_k) = 694 мм
Длина диффузора (L_d) = 135 мм
Гидромонитор подключен выше гидроэлеватора на 1 м.
2. Расчет параметров гидромонитора:
Гидромонитор создает струю воды для размыва породы.
Скорость струи гидромонитора (v_hm):
Формула скорости струи:
где ρw = 1000 кг/м3 (плотность воды).
Диаметр насадки гидромонитора (d_hm):
Подача насоса делится между гидромонитором и гидроэлеватором.
Примем, что 70% расхода идет на гидромонитор (Q_hm = 0,7 · Q = 0,021 м³/с).
Площадь насадки:
Диаметр насадки:

2.

Вывод:
Диаметр насадки гидромонитора ≈ 16 мм.
3. Расчет параметров гидроэлеватора:
Гидроэлеватор поднимает пульпу.
Расход через гидроэлеватор (Q_he):
Диаметр насадки гидроэлеватора (d_he):
Оптимальное соотношение для гидроэлеваторов:
где Ahe — площадь насадки гидроэлеватора.
Примем Ahe/Ak = 5:
Диаметр насадки:
Вывод:
Диаметр насадки гидроэлеватора ≈ 62 мм.
4. Расчет эрлифта:
Эрлифт помогает поднимать пульпу за счет подачи воздуха.
Оптимальная глубина погружения эрлифта (h_opt):
Рекомендуемое соотношение:

3.

Диаметр воздухоподающей трубы (d_air):
Принимаем диаметр в пределах 25-50 мм.
Для данной глубины подойдет 40 мм.
Необходимое давление компрессора (P_comp):
где ΔP ≈ 0,1−0,2 МПа (потери).
Производительность компрессора (Q_air):
Оптимальное воздухосодержание в пульпе ≈ 10-20%.
Примем расход воздуха 10% от расхода пульпы (Q_p ≈ 0,03 м³/с):
Вывод:
Глубина погружения эрлифта ≈ 19-20 м.
Диаметр воздухоподающей трубы ≈ 40 мм.
Требуемое давление компрессора ≈ 0,35 МПа.
Производительность компрессора ≈ 10-12 м³/ч.
5. Подбор компрессора (российского производства):
Подходит винтовой компрессор КВ-12/0,35 (производительность 12 м³/ч, давление 0,35
МПа).
Итоговые параметры:
Параметр
Значение
Диаметр насадки гидромонитора
16 мм
Диаметр насадки гидроэлеватора
62 мм
Глубина погружения эрлифта
19-20 м
Диаметр воздухоподающей трубы
40 мм
Давление компрессора
0,35 МПа
Производительность компрессора
10-12 м³/ч
Рекомендуемый компрессор
КВ-12/0,35
Расчет скорости пульпы в камере смешения гидроэлеватора

4.

1. Исходные данные:
Подача насоса (Q) = 108 м³/ч = 0,03 м³/с
Расход через гидроэлеватор (Q_he) = 0,009 м³/с (30% от Q)
Площадь камеры смешения (A_k) = 15318,4 мм² = 0,0153184 м²
Плотность воды (ρ_w) = 1000 кг/м³
Плотность породы (ρ_p) = 2600 кг/м³
Концентрация пульпы (C) ≈ 10-20% (примем C = 15%)
2. Расход пульпы в камере смешения:
Гидроэлеватор работает по принципу инжекции: вода из насадки увлекает за собой
разрыхленную породу.
Объемный расход пульпы (Q_pulp):
где Qsolids — расход твердой фазы.
При концентрации C = 15%:
3. Скорость пульпы в камере смешения (v_pulp):
4. Проверка на оптимальность:
Для эффективной работы гидроэлеватора скорость в камере смешения должна быть в
диапазоне 0,5–2 м/с.
Полученное значение 0,69 м/с находится в допустимых пределах.
Вывод:
Скорость пульпы в камере смешения ≈ 0,7 м/с.
Это соответствует нормальным условиям работы гидроэлеватора.
Если требуется увеличение скорости (например, для лучшего транспорта крупных
частиц), можно:
Уменьшить площадь камеры смешения (но это требует изменения
конструкции),
Увеличить расход воды через гидроэлеватор (например, до 40% от Q).
Расчет концентрации пульпы и коэффициента эжекции гидроэлеватора

5.

1. Концентрация пульпы (по объему)
Концентрация пульпы (Cv) — это отношение объема твердой фазы к общему объему
пульпы.
Исходные данные:
Расход воды через гидроэлеватор (Qhe) = 0,009 м³/с
Расход твердой фазы (Qsolids) = 0,00159 м³/с (из предыдущего расчета)
Общий расход пульпы (Qpulp) = 0,01059 м³/с
Формула:
Вывод:
Концентрация пульпы ≈ 15% по объему.
Это соответствует типичным значениям для гидроэлеваторов (обычно 10–25%).
2. Коэффициент эжекции (степень подсоса)
Коэффициент эжекции (u) — это отношение расхода твердой фазы к расходу рабочей
жидкости (воды).
Формула:
Оптимальные значения для гидроэлеваторов:
Обычно u = 0,1–0,3 (10–30%).
Полученное значение 17,7% находится в допустимом диапазоне.
Вывод:
Коэффициент эжекции ≈ 0,18 (18%).
Гидроэлеватор работает в нормальном режиме, но можно повысить эффективность,
увеличив диаметр насадки или снизив гидравлические потери.
Итоговые параметры:
Параметр
Значение
Оптимальный диапазон
Концентрация пульпы (Cv)
15%
10–25%
Коэффициент эжекции (u)
0,18 (18%)
0,1–0,3

6.

Рекомендации:
Если нужно увеличить u, можно:
o Увеличить диаметр насадки гидроэлеватора (снизит скорость воды и
повысит подсос).
o Уменьшить глубину погружения (снизит противодавление).
Если концентрация слишком низкая, можно увеличить подачу размывающей
струи (гидромонитора).
Если требуется более высокая производительность, стоит рассмотреть увеличение
мощности насоса или оптимизацию геометрии камеры смешения.
Расчет параметров работы гидромонитора
1. Дальность размыва пород гидромонитором
Дальность размыва зависит от:
Скорости струи (v): 110,5 м/с (из предыдущих расчетов)
Диаметра насадки (d): 16 мм
Угла наклона струи (обычно 30–60°)
Плотности и связности породы (песчано-глинистая, несцементированная)
Эмпирическая формула для дальности размыва (L):
где:
α — угол наклона (возьмем 45°)
2g = 9,81м/с2
K — коэффициент сопротивления (для рыхлых пород K≈1,5–2)
Расчет:
Но это теоретическая максимальная дальность в воздухе без учета:
Рассеивания струи
Сопротивления воды в скважине
Потерь на трение
Реальная эффективная дальность размыва:
В воде дальность сокращается в 5–10 раз.
Для скважинных условий: 2–10 м (оптимально ~5 м).
Вывод:

7.

Эффективная дальность размыва ≈ 3–7 м (регулируется давлением и углом).
2. Объем и масса размываемой породы
Производительность по размыву (Qₚ):
Зависит от:
Мощности струи
Плотности породы
Коэффициента разрыхления
Эмпирическая формула:
где:
P = 6,1 МПа (напор)
η — КПД размыва (0,1–0,3 для песчано-глинистых пород)
Hразм ≈ 5 м (глубина размыва за цикл)
Расчет:
Масса размытой породы:
Вывод:
Объем размываемой породы ≈ 9,5 м³/ч
Масса размываемой породы ≈ 25 т/ч
3. Производительность гидромонитора по пульпе
Параметры пульпы:
Концентрация (Cv): 15% (из предыдущих расчетов)
Расход воды (Qhm): 0,021 м³/с (70% от общей подачи)
Плотность пульпы (ρпульпы):
Объемная производительность по пульпе:

8.

Массовая производительность:
Итоговая таблица параметров гидромонитора
Параметр
Значение
Дальность размыва
3–7 м
Объем размываемой породы
9,5 м³/ч
Масса размываемой породы
25 т/ч
Объемная производительность по пульпе
63,7 м³/ч
Массовая производительность по пульпе
79 т/ч
Концентрация пульпы
15%
Рекомендации:
1. Для увеличения производительности:
o Повысить давление (если позволяет насос).
o Увеличить диаметр насадки (снизит скорость, но повысит расход).
2. Для увеличения дальности размыва:
o Использовать более узкую насадку (но снизится производительность).
o Увеличить угол наклона струи.
Ограничения:
При слишком высокой концентрации (>25%) возможны засоры.
Дальность размыва >10 м потребует значительного роста давления.
Итоговая таблица параметров системы гидродобычи
1. Гидромонитор
Параметр
Значение
Комментарий
Диаметр насадки
16 мм
Оптимален для давления 6,1
МПа
Скорость струи
110,5 м/с
Достаточно для размыва
рыхлых пород
Дальность размыва
3–7 м
Зависит от угла наклона и
плотности породы

9.

Параметр
Значение
Комментарий
Производительность по
породе
9,5 м³/ч
Объем разрыхленной породы
Массовая
производительность
25 т/ч
При плотности породы 2600
кг/м³
Расход воды
75,6 м³/ч (70% от
общего расхода)
Основной поток на размыв
2. Гидроэлеватор
Параметр
Значение
Комментарий
Диаметр насадки
62 мм
Оптимальное соотношение с
камерой смешения
Скорость пульпы в
камере
0,7 м/с
В пределах нормы (0,5–2 м/с)
Концентрация пульпы
(C_v)
15%
Допустимый диапазон 10–25%
Коэффициент эжекции
(u)
0,18 (18%)
Норма для данного типа
Расход воды
32,4 м³/ч (30% от
общего расхода)
Остаток после гидромонитора
3. Эрлифт
Параметр
Значение
Комментарий
Глубина погружения
19–20 м
65% от глубины скважины (30 м)
Диаметр воздухоподающей
трубы
40 мм
Оптимален для данной
производительности
Давление компрессора
0,35 МПа
Учитывает глубину и потери
Производительность
компрессора
10–12 м³/ч
10% от расхода пульпы
Рекомендуемая модель
КВ12/0,35
Винтовой, российского производства
Сводные данные по системе

10.

Общий расход воды (насос): 108 м³/ч
Распределение:
o Гидромонитор: 75,6 м³/ч (70%)
o Гидроэлеватор: 32,4 м³/ч (30%)
Производительность по пульпе: 63,7 м³/ч (при концентрации 15%)
Общая масса поднимаемого материала: ~79 т/ч (порода + вода)
Примечание:
Для увеличения производительности гидроэлеватора можно снизить глубину
погружения эрлифта или увеличить диаметр его трубы.
Дальность размыва гидромонитора регулируется давлением и углом наклона.