Апробирование россыпей методом СГД при геологоразведочных работах

 Метод скважинной гидродобычи (СГД) применяется для опробования россыпных и осадочных месторождений с целью определения содержания полезных компонентов (золота, платины, олова, янтаря, строительных песков, драгоценных камней, агроруд и др.).

Этот способ сочетает гидравлический размыв породы и отбор проб через скважины, что позволяет получить достоверные данные при минимальных затратах.

Способ также позволяет совмещать геологоразведочные работы с пробной эксплуатацией буровых скважин что делает зачастую проведение поисковой оценки или детальной разведки месторождения безубыточными.

1. Преимущества СГД при апробировании россыпей

✅ Высокая достоверность проб – за счет полного размыва и отбора материала из всего интервала опробования.
✅ Экономичность – не требует проходки шурфов или траншей.
✅ Скорость – быстрый отбор проб по сравнению с бурением и ручным опробованием.
✅ Применимость в сложных условиях – работает на обводненных, заболоченных участках, где традиционные методы затруднены.
✅ Минимальное воздействие на экологию – отсутствие масштабных земляных работ.

2. Технология апробирования СГД

2.1. Подготовительный этап

• Разметка скважин на основе геофизических данных или предварительной разведки.
• Выбор оборудования:
  • Гидромониторная установка (насос, шланги, насадки).
  • Гидроэлеватор или эрлифт для подъема пульпы.
  • Пробоотборные устройства и узлы обогащения (сита, промприборы, шлюзы, делители).

2.2. Проведение гидроразмыва

1. Заглубление гидромонитора в скважину на заданный интервал.
2. Размыв породы струей воды под давлением (3–10 МПа).
3. Отбор пульпы через гидроэлеватор и ее транспортировка на поверхность к прискважинному обогатительному устройству.
4. Декантация и промывка для выделения тяжелых фракций (золота, касситерита и др.).

2.3. Обработка проб

• Грохочение (отделение галечника и песка).
• Шлиховое опробование (промывка на лотке или шлюзе).
• Анализ концентратов (пробирный анализ, спектрометрия).

3. Особенности применения на разных типах россыпей

4. Сравнение с традиционными методами

5. Практические рекомендации

🔹 Оптимальный диаметр скважин: 150–300 мм (позволяет эффективно отбирать крупные фракции).
🔹 Давление воды: 5–8 МПа (для устойчивых россыпей).
🔹 Контроль гранулометрии – избегать переизмельчения ценных компонентов.
🔹 Экологический мониторинг – очистка оборотной воды, рекультивация.

Метод СГД – перспективная технология для разведочного опробования россыпей, сочетающая высокую информативность с минимальными затратами. Особенно эффективен на ранних стадиях геологоразведки и при оценке малых месторождений.

В качестве базового буро-добычного оборудования для проведения апробирования залежей россыпных полезных ископаемых используется УГБ 900 на пневматическом или гусеничном ходу и СГГС конструкции к.т.н. Николая Дмитриевича Бычека с кольцевым гидроэлеватором

Серия буровых установок УГБ-900 монтируется:

• на гусеничную платформу. Привод гидросистемы установки осуществляется от дизельного двигателя.

• на колесное шасси
  
  Технологии, способы бурения, решаемые задачи:
  - Вращательное шнековое бурение, в т.ч. полыми герметичными шнеками

• Вращательное колонковое бурение с опережающей обсадкой под защитой колонны полых равнопроходных шнеков;

• Ударно-вращательное бурение с погружными пневмоударниками диаметром до 650 мм, в т.ч. бурение с одновременной обсадкой;

• Вращательное бурение с прямой и обратной промывкой (Айрлифт)

В качестве палубного насоса используется НБГ-50

НБГ-50 предназначен для нагнетания в скважину воды при СГД-апробировании, а также для выполнения других промывочно-продавочных работ.
Насос состоит из блока гидравлического и двух гидроцилиндров с управлением, соединенных между собой корпусом и смонтированных на раме.

Буровой насос НБГ-50 устанавливается на самоходные буровые установки

Объемная подача и давление на выходе из насоса для всех типоразмеров цилиндровых втулок:

Примечание: Предельное отклонение объемной подачи ± 10%

Для апробирования путем размыва и извлечения на поверхность полезного ископаемого из скважины используется СГГС конструкции к.т.н. Николая Бычека с кольцевым гидроэлеватором.

Расчет системы скважинного гидромонитора и гидроэлеватора

Исходные данные (в качестве примера):

• Породы: слабосцементированные песчано-глинистые с 10% галечника.
• Диаметр скважины: 219 мм.
• Производительность насоса: 35 м³/ч (0.00972 м³/с).
• Давление насоса: 4.1 МПа.
• Глубина подъема пульпы гидроэлеватором: 30 м (как пример).

1. Расчет параметров гидромонитора

1.1. Диаметр водоподающей трубы

Для обеспечения расхода 35 м³/ч при скорости воды 2–3 м/с (оптимально для минимизации потерь):

Принимаем v = 2.5 м/с:

Выбираем трубу ⌀76 мм (3") (стандартный размер, обеспечивающий запас по пропускной способности).

1.2. Диаметр насадки гидромонитора

Для формирования компактной струи с высоким КПД используем уравнение расхода:

Где:

• μ = 0.95 (коэффициент расхода для хорошо обработанной насадки),
• H = 410 м вод. ст. (4.1 МПа).

Выбираем насадку ⌀12 мм (обеспечивает давление струи ~30–40 МПа на выходе).

2. Расчет параметров гидроэлеватора

2.1. Диаметр водоподающей трубы на гидроэлеватор

Гидроэлеватор работает от того же насоса, поэтому расход рабочей воды должен быть разделен между гидромонитором и гидроэлеватором.

Принимаем 70% расхода на гидромонитор (24.5 м³/ч) и 30% на гидроэлеватор (10.5 м³/ч).

Для Q = 10.5 м³/ч (0.00292 м³/с) и v = 2.5 м/с:

Выбираем трубу ⌀40 мм (стандартный размер).

2.2. Диаметр насадки гидроэлеватора

Для создания высокоскоростной струи, обеспечивающей подсос пульпы:

При H = 30 м (давление на входе в гидроэлеватор ~0.3 МПа):

Выбираем насадку ⌀9 мм.

2.3. Диаметр камеры смешения

Оптимальное соотношение:

Принимаем D_{к} = 4 · 9 мм = 36 мм.
Выбираем камеру смешения ⌀40 мм.

2.4. Диаметр пульпоотводной трубы

Для транспортировки смеси (вода + порода) с минимальными потерями:

При скорости пульпы 1.5–2 м/с:

Выбираем трубу ⌀76 мм (3") (стандартный размер).

3. Проверка возможности работы от одного насоса

• Гидромонитор: ⌀12 мм, расход ~24.5 м³/ч, давление ~4.1 МПа.
• Гидроэлеватор: ⌀9 мм, расход ~10.5 м³/ч, давление ~0.3 МПа.

Суммарный расход: 24.5 + 10.5 = 35 м³/ч (соответствует производительности насоса).

Итоговые параметры системы:

Система может работать от одного насоса 35 м³/ч при 4.1 МПа, обеспечивая размыв пород гидромонитором и подъем пульпы гидроэлеватором с глубины 30 м.

Расчет объема размываемой породы и откачиваемой пульпы

Исходные данные:

• Производительность насоса: 35 м³/ч (расход воды).
• Распределение расхода:
  • Гидромонитор: 24.5 м³/ч (70%).
  • Гидроэлеватор: 10.5 м³/ч (30%).
• Глубина подъема пульпы: 30 м.
• Характеристики породы: слабосцементированные песчано-глинистые с 10% галечника.

1. Расчет объема размываемой породы гидромонитором

1.1. Интенсивность размыва (удельный расход воды)

Для слабосцементированных пород с галечником удельный расход воды q (м³ воды на 1 м³ породы) составляет:

• q = 3–8 м³/м³ (принимаем q = 5 м³/м³ для средних условий).

1.2. Объем размываемой породы в час

Вывод:
Гидромонитор размывает ~4.9 м³/ч породы.

2. Расчет объема откачиваемой пульпы гидроэлеватором

2.1. Концентрация пульпы

Оптимальная концентрация твердого в пульпе (C) для гидроэлеватора:

• C = 10–20% (принимаем C = 15%).

2.2. Объем пульпы

Гидроэлеватор поднимает размытую породу + воду.
Объем твердого в пульпе:

Объем пульпы:

2.3. Проверка соответствия производительности гидроэлеватора

Гидроэлеватор использует 10.5 м³/ч рабочей воды и подсасывает:

Из них:

• 4.9 м³/ч — твердая порода (плотность ~2.6 т/м³).
• 17.3 м³/ч — транспортирующая вода (из размыва).

Коэффициент подсоса:

Это соответствует нормальным характеристикам гидроэлеваторов (K = 1.5–3).

3. Общий баланс системы

4. Проверка на соответствие диаметров труб

• Пульпоотводная труба ⌀76 мм:
  Скорость пульпы:

(Допустимо: 1.5–3 м/с).

• Водоподающая труба гидроэлеватора ⌀40 мм:
  Скорость воды:

(Норма: 2–3 м/с).

Итоговые показатели:

• Гидромонитор размывает: 4.9 м³/ч породы.
• Гидроэлеватор откачивает: 32.7 м³/ч пульпы (включая 4.9 м³/ч породы).
• Необходимый расход воды: 35 м³/ч (24.5 — на размыв, 10.5 — на подъем).

Система работает сбалансированно и соответствует исходным данным.

Расчет эффективного расстояния размыва гидромонитором

Исходные данные:

• Давление на выходе из насадки (P): 4.1 МПа (≈ 418 м вод. ст.).
• Диаметр насадки (d): 12 мм.
• Расход воды (Q): 24.5 м³/ч (≈ 6.81 л/с).
• Тип породы: слабосцементированные песчано-глинистые с 10% галечника.
• Коэффициент разрыхления породы: 1.3–1.5.

1. Скорость струи на выходе из насадки

Используем уравнение Бернулли для идеальной струи:

Проверка через расход:

Разница обусловлена коэффициентом сжатия струи (μ ≈ 0.95) и потерями.
Принимаем рабочую скорость: 80 м/с.

2. Дальнобойность струи

Эффективное расстояние размыва (L) определяется:

• Распадом струи (потерей кинетической энергии).
• Минимальным давлением на забое для разрушения породы (~0.1–0.5 МПа для слабосцементированных пород).

2.1. Эмпирическая формула для компактной струи

где:

• k = 150–200 (для воды, без турбулентных помех).
• d =12 мм = 0.012 м
• H = 418 м

2.2. Проверка по давлению на забое

Давление струи убывает с расстоянием:

При PL ≥ 0.2 МПа (достаточно для размыва):

Решение дает:

L≈8.5м

3. Оптимальное расстояние размыва

• Теоретическая дальнобойность: до 13 м.
• Практический предел (с учетом потерь на трение и турбулентность): 5–8 м.

Рекомендуемое расстояние:

• Для максимальной эффективности: 3–5 м.
• Для безопасной работы без забрызгивания: 1
• .5–3 м.

4. Проверка по удельному расходу воды

При L = 5м:

• Удельный расход воды: 5 м³/м³ породы (из предыдущих расчетов).
• Объем размыва:

Это согласуется с балансом системы.

Итоговые выводы:

1. Максимальное расстояние размыва: до 8–10 м (при идеальных условиях).
2. Оптимальное рабочее расстояние: 3–5 м (баланс между эффективностью и потерями давления).
3. Минимальное давление на забое: ≥ 0.2 МПа (обеспечивается при L≤8.5 мL≤8.5м).

Рекомендации:

• Начинать размыв с расстояния 3 м, корректируя по мере разрушения породы.
• Избегать L > 6 м из-за резкого падения КПД.

График зависимости давления струи от расстояния:

Расчет объема размыва и добычи породы из скважины

Исходные данные:

• Форма камеры размыва: цилиндрическая.
• Радиус размыва (r): 3 м.
• Высота камеры (h): 2 м.
• Коэффициент разрыхления породы (kₚ): 1.3 (песчано-глинистые породы с 10% галечника).

Расчет объема размытой породы в плотном теле (до разрыхления)

Объем цилиндра:

2. Расчет объема разрыхленной породы (в добыче)

При разрыхлении порода увеличивается в объеме:

3. Учет коэффициента извлечения

Не весь разрыхленный материал будет поднят на поверхность (часть остается в скважине).
Принимаем коэффициент извлечения (kᵢ): 0.9 (90% эффективности гидроэлеватора).

4. Временные параметры добычи

Из предыдущих расчетов:

• Производительность гидромонитора по размыву: 4.9 м³/ч (плотный объем).
• Соответствующий объем разрыхленной породы:

Время для размыва камеры:

Фактическая добыча за это время:

Итоговая таблица параметров

Выводы:

1. За 11.5 часов непрерывной работы гидромонитора будет размыта цилиндрическая камера 3×2 м.
2. Объем добытой разрыхленной породы составит ~ 66 м³.
3. Производительность системы: ~ 5.75 м³/ч (с учетом потерь).

Оптимизация:

• Увеличение давления/расхода воды сократит время размыва.
• Использование дополнительных гидроэлеваторов повысит % извлечения.

Экономическая эффективность СГД-апробирования на одну скважину

1. Исходные данные:

• Стоимость подготовки и отработки одной скважины: 2,902 USD
• Производительность СГД-установки: 4.9 м³/час (плотная порода)
• Время работы на скважине: 11.5 часов (для выработки 56.52 м³ плотной породы)
• Коэффициент разрыхления: 1.3
• Объем добытой породы: 73.48 м³
• Коэффициент извлечения: 0.9
• Фактически поднятый объем: 66.13 м³

2. Для сапфиров (3-5 карат/м³):

• Минимальное содержание: 3 карата/м³ × 66.13 м³ = 198.4 карат
• Максимальное содержание: 5 карата/м³ × 66.13 м³ = 330.7 карат
• Средняя цена сапфира: 100 USD/карат
• Выручка:
  • Минимум: 198.4 × 100 = 19,840 USD
  • Максимум: 330.7 × 100 = 33,070 USD
• Чистая прибыль:
  • Минимум: 19,840 - 2,902 = 16,938 USD
  • Максимум: 33,070 - 2,902 = 30,168 USD
• Рентабельность:
  • Минимум: (16,938 / 2,902) × 100% = 584%
  • Максимум: (30,168 / 2,902) × 100% = 1,040%

3. Для золота (2 г/м³):

• Содержание: 2 г/м³ × 66.13 м³ = 132.26 г
• Цена золота: 60 USD/г
• Выручка: 132.26 × 60 = 7,935.6 USD
• Чистая прибыль: 7,935.6 - 2,902 = 5,033.6 USD
• Рентабельность: (5,033.6 / 2,902) × 100% = 173.5%

4. Сравнительная таблица:

5. Выводы:

1. Для сапфировых россыпей:
   1. Чистая прибыль составляет 16,938-30,168 USD на скважину
   2. Рентабельность 584-1,040%
   3. Окупаемость: менее 0.2 скважины (прибыль покрывает затраты после обработки ~20% объема одной скважины)
2. Для золотоносных россыпей:
   1. Чистая прибыль 5,033.6 USD на скважину
   2. Рентабельность 173.5%
   3. Окупаемость: 0.58 скважины (прибыль покрывает затраты после обработки 58% объема одной скважины)
3. Метод СГД-апробирования экономически эффективен в обоих случаях, но:
   1. Наибольшая выгода достигается при работе с сапфировыми россыпями
   2. Золотоносные россыпи обеспечивают стабильную, но меньшую прибыль
4. Факторы, влияющие на эффективность:
   1. Фактическое содержание полезного компонента
   2. Качество драгоценных камней (для сапфиров)
   3. Колебания рыночных цен
   4. Технологические потери при добыче

На практике никогда не удавалось отработать продуктивный слой идеальной цилиндрической камерой. Как правило – это меньше 2/3 от теоретически заявленного объема. Однако, даже при поправках на практические извлекаемые объемы пород, метод СГД при геологическом апробировании является не только технологически эффективным, но и экономически окупаемым.

Рекомендация: Метод СГД-апробирования особенно рекомендуется для разведки сапфировых месторождений, где потенциальная прибыль может превышать затраты в 10 раз. Для золотых россыпей метод также рентабелен, но требует более тщательного контроля издержек.