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 ?, МПа

, МПа (1.1)

где Н - глубина залегания пласта (по почве), м

(м - исходное данное № 2);

?тв - 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 ? - 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);

?э - эффективное напряжение в пласте полезного ископаемого,

МПа (МПа - из формулы 1.3);

? - 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);

?Рс - потери напора в сети, МПа

(МПа - из формулы 1.6);

Ргидр - поровое давление, МПа

(МПа - из формулы 1.2);

?Рг - 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?0,40,81,21,62,0n1,871,4711,0020,5610,2

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), мм111523Опытная постоянная (k)1,22,04,8

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

, кВт (2.3)

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 (?из) по таблице 4.1

Таблица 4.1

а0,1-0,150,15-0,250,25-0,350,35-0,50?из0,250,320,360,40

В заданных условиях (из формулы 4.2), поэтому .

.4 Определить относительную плотность гидросмеси по формуле

, кг/м3 (4.3)

где ?в - плотность воды, кг/м3 (кг/м3 из [1]);

?г - 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

.6 Определить диаметр воздушной трубы по формуле:

, 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.