Насос Гейзера вместо эрлифта для повышения КПД при скважинной гидродобыче янтаря

 Технология использования насоса Гейзера при скважинной гидродобыче (СГД) янтаря рассматривается применительно к месторождениям РФ, Польши и Украины. На территории России в Калининградской области находится Пальмникенское месторождение янтаря, где сначала в годы СССР проектировался комплекс СГД как опытно-промышленный участок, а затем в России в начале 2000-ных годов были произведены натурные работы.

Пальмникенское месторождение янтаря в Калининградской области является одним из крупнейших в мире. В 2010 году было принято решение осуществить проект добычи янтаря с использованием скважинной гидродобычи (СГД) – инновационного метода, позволяющего извлекать полезные ископаемые без масштабных карьерных разработок.

Суть скважинной гидродобычи (СГД) на Пальмникенском месторождении

1. Бурение скважин

o Вместо открытых карьеров бурятся вертикальные и наклонные скважины до янтареносного слоя ("голубой земли").

o Скважины могут достигать глубины 50–60 метров.

2. Размыв породы водой под высоким давлением

o В скважину подаётся струя воды под давлением, разрушая породу и высвобождая янтарь.

o Возможна добавка реагентов для улучшения отделения янтаря от глинистых отложений.

3. Подъем пульпы на поверхность

o Водяная смесь с размытой породой и янтарём откачивается на поверхность.

o Используются эрлифтные или насосные системы.

4. Очистка и обогащение

o Пустая порода отделяется от янтаря на обогатительных установках.

Преимущества СГД перед традиционными методами

✔ Меньшее воздействие на экологию – нет огромных карьеров, снижается риск оползней.
✔ Экономия на вскрыше – не нужно удалять десятки метров пустой породы.
✔ Возможность добычи под застройками – метод подходит для участков, где открытая разработка невозможна.

Проблемы и ограничения

❌ Технологическая сложность – требуется точное бурение и контроль за размывом.
❌ Зависимость от геологии – метод эффективен только в рыхлых породах.
❌ Водопотребление – необходимо решать вопрос с очисткой и рециркуляцией воды.

Перспективы проекта

В 2010 году технология рассматривалась как экспериментальная, но из-за высокой стоимости и отсутствия отработанных методик для янтаря проект не был реализован в полной мере. Однако СГД остается перспективным направлением для добычи россыпных месторождений, особенно в экологически чувствительных районах.

Анализ применения насоса Гейзера для скважинной гидродобычи янтаря

Насос Гейзера — это эрлифтная система с улучшенным КПД (до 80%) за счет использования внешнего и внутреннего воздушных куполов, которые позволяют регулировать подачу пульпы и снижать энергозатраты. Для Пальмникенского месторождения янтаря предлагается адаптировать технологию, описанную в статье А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Н. Гроссу «ПРИМЕНЕНИЕ НАСОСА ГЕЙЗЕРА ДЛЯ ОДЪЕМА ПУЛЬПЫ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ» с учетом специфики янтареносных пород ("голубой земли").

Исходные данные для расчета

· Глубина динамического уровня от уровня излива: hA = 27 м

· Глубина погружения насоса: H = 37 м

· Производительность: Qn = 150 м3/ч = 41.7 л/с

· Удельный вес пульпы (янтарь + вода): γсм = 1.15⋅104 Н/м3 (предполагается меньшая плотность по сравнению с железной рудой).

Расчет параметров насоса Гейзера добычи янтаря с глубины откачки пульпы 37 м

1. Давление в системе

· Гидростатическое давление на глубине погружения:

Рабочее давление компрессора (с учетом потерь на трение, принимаем ΔPтр = 0.05 МПа):

2. Объемы воздушных куполов

· Объем внешнего купола (V1) рассчитывается из условия формирования пузыря ΔV = 41.7 л (равного производительности за 1 сек):

P1 = 0.7 МПа (давление компрессора), P2 ​= 0.16 МПа (давление в трубе).

· Объем внутреннего купола: 20–25% от внешнего:

3. Геометрические параметры куполов

· Внешний купол (цилиндр диаметром 400 мм):

· Внутренний купол (диаметр 200 мм):

4. Диаметр изливной трубы

Для скорости пульпы υ = 3 м/с:

Технические характеристики насоса Гейзера

Подбор компрессора (российское производство)

Для работы насоса Гейзера требуется компрессор с параметрами:

· Давление: 0.7–0.9 МПа.

· Производительность: 2.5–3 м³/мин (150–180 м³/ч).

Рекомендуемая модель (как пример):

· Компрессор ВК-3М (завод «Бежецккомпрессор»):

o Производительность: 3 м³/мин.

o Давление: 0.8 МПа.

o Мощность: 22 кВт.

o Тип: винтовой, маслозаполненный.

Чертеж насоса Гейзера

Конструкция включает (см. рис. ниже):

1. Внешний купол (Ø400 мм, L=250 мм).

2. Внутренний купол (Ø200 мм, L=250 мм).

3. Изливная труба (Ø130 мм).

4. Клапан подачи воздуха (Ø70 мм).

5. Подвод сжатого воздуха (труба Ø50 мм).

Насос Гейзера для добычи янтаря с параметрами:

· Производительность: 150 м³/ч.

· Глубина: 37 м.

· Компрессор: ВК-3М (Россия).

· КПД: до 80%.

Технология позволяет минимизировать воздействие на ландшафт и повысить эффективность добычи по сравнению с традиционными эрлифтами. Для точной настройки рекомендуется провести испытания на макете.

Анализ применения насоса Гейзера для скважинной гидродобычи янтаря с глубины откачки пульпы 30 м

Исходные данные

· Глубина динамического уровня от уровня излива: hA = 27 м

· Глубина погружения насоса: H = 30 м

· Производительность: Qn = 150 м3/ч = 41.7л/с

· Удельный вес пульпы: γсм = 1.15⋅104 Н/м3 (вода + янтарь).

Расчет параметров насоса Гейзера

1. Давление в системе

· Гидростатическое давление на глубине погружения:

· Рабочее давление компрессора (с учетом потерь на трение Pтр = 0.05 МПа):

Для надежности принимаем Pкомпрессора = 0.7 МПа (стандартное значение для эрлифтных систем).

2. Объемы воздушных куполов

· Объем внешнего купола (V1):

Увеличиваем до 50 л для устойчивой работы (с запасом).

· Объем внутреннего купола: 25% от внешнего:

3. Геометрические параметры куполов

· Внешний купол (цилиндр диаметром 400 мм):

· Внутренний купол (диаметр 250 мм):

4. Диаметр изливной трубы

Для скорости пульпы υ =3 м/с:

5. Клапан подачи воздуха в изливной трубе

· Диаметр клапана: 70 мм (для пузыря объемом 41.7 л/с).

· Расположение: На расстоянии 10–15 см от днища внутреннего купола. Это обеспечит:

o Оптимальное смешивание воздуха с пульпой.

o Предотвращение засорения клапана частицами янтаря.

Технические характеристики насоса Гейзера

Подбор оборудования российского производства

1. Компрессор

· Модель: ВК-3М («Бежецккомпрессор»).

o Производительность: 3 м³/мин.

o Давление: 0.8 МПа.

o Мощность: 22 кВт.

2. Клапан подачи воздуха

· Модель: КШ-70 («Армалит»).

o Диаметр: 70 мм.

o Рабочее давление: 1.0 МПа.

o Материал: нержавеющая сталь AISI 304.

Чертеж насоса Гейзера

Конструкция включает:

1. Внешний купол: Ø400 мм, L=400 мм.

2. Внутренний купол: Ø250 мм, L=250 мм.

3. Изливная труба: Ø130 мм.

4. Клапан подачи воздуха: Ø70 мм, расположен на 12 см от днища внутреннего купола.

5. Подвод сжатого воздуха: труба Ø50 мм.

Вывод

Насос Гейзера для добычи янтаря с параметрами:

· Производительность: 150 м³/ч.

· Глубина: 30 м.

· Компрессор: ВК-3М (Россия).

· Клапан: КШ-70 (Россия).

· КПД: до 80%.

Клапан подачи воздуха рекомендуется размещать на расстоянии 12 см от днища внутреннего купола для эффективного управления потоком пульпы. Технология обеспечит стабильную работу с минимальным воздействием на окружающую среду.

Гидродобычной агрегат (ГДА) кроме насоса Гейзера имеет скважинный гидромонитор (СГ). СГ устанавливают, как правило, чуть выше динамического уровня чтобы в процессе эксплуатации скважинного оборудования водяная напорная струя размыва янтареносной породы была в открытом (не затопленном) состоянии.

Расчет скважинного гидромонитора для разработки песчано-глауконитовых вмещающих янтарь пород

Исходные данные:

· Глубина залегания: 24.5 м

· Производительность пульпы: 150 м³/ч

· Плотность пульпы: 1.25 т/м³ (вода + порода)

· Плотность породы: 2.2 т/м³

· Содержание твердого: 30% (45 м³/ч или 99 т/ч)

· Прочность породы на разрыв: 4 МПа

1. Расчет параметров гидромонитора

1.1. Диаметр водоподающей трубы

Цель: Обеспечить расход воды 90 м³/ч (60% от объема пульпы) при скорости 2.5 м/с.
Формула:

Подстановка:

· Q = 90 м3/ч = 0.025 м3/с

· v = 2.5 м/с

Результат:

Стандартный диаметр: Ø125 мм (труба 5″ ПНД или стальная).

1.2. Диаметр насадки гидромонитора

Цель: Создать струю с давлением 5 МПа и скоростью 60 м/с для эффективного разрушения породы.
Формула:

Подстановка:

· Q = 0.025 м3/с

· vн = 60 м/с

Результат:

Рекомендуемый диаметр: Ø20 мм (регулируемое сопло из карбида вольфрама).

1.3. Производительность и напор насоса

Расчетные параметры:

1. Потери в трубе (24.5 м, Ø125 мм):

Рабочее давление на забое: 5 МПа

2. Общий требуемый напор:

Требования к насосу:

· Производительность: 90 м³/ч

· Напор: 560 м (5.5 МПа)

· Мощность: ~200 кВт

2. Подбор российского насоса

Модель: ЦНС 90-1900 (производство ОАО «Ливгидромаш»)

· Характеристики:

o Производительность: 90 м³/ч

o Напор: 600 м (6 МПа)

o Мощность: 220 кВт

o Материал проточной части: сталь 20Х13

· Преимущества:

o Работа с абразивными средами

o Возможность каскадного подключения

3. Конструкция гидромонитора

3.1. Основные элементы

3.2. Режимы работы

· Давление на выходе: 5–5.5 МПа

· Расход воды: 90 м³/ч

· Угол атаки струи: 75–90° к забою

4. Расчет радиуса размыва

Формула:

Подстановка:

· P = 5 МПа

· Q = 0.025 м3/с

· σ = 4 МПа

· k = 0.15 (для необводненных пород)

· t = 300 с (5 мин. обработки)

Результат:

5. Сводная таблица параметров

6. Рекомендации

1. Для повышения эффективности:

o Добавить 0.1% ПАВ (например, сульфонол) для снижения прочности породы.

o Использовать вращающееся сопло для равномерного размыва.

2. Контроль:

o Датчики давления на выходе насоса.

o Гидролокатор для мониторинга радиуса камеры.

3. Безопасность:

o Предохранительный клапан на 6 МПа.

o Регулярная проверка износа сопла.

Итог: Система обеспечит производительность 150 м³/ч пульпы с содержанием янтаря до 1.5%. Для непрерывной работы рекомендуется 2 насоса (1 рабочий + 1 резервный).

Расчет объема добычи

1. Исходные данные:

· Радиус размыва (R): 2.5 м (из предыдущего расчета гидромонитора)

· Высота камеры (H): 5 м

· Форма камеры: Цилиндр

2. Формула объема цилиндра:

3. Подстановка значений:

4. Корректировка на коэффициент разрыхления:

· Песчано-глауконитовая порода имеет коэффициент разрыхления 1.3 (увеличение объема при разрушении).

· Фактический объем добытой породы:

5. Связь с производительностью гидромонитора

· Производительность гидромонитора: 45 м³/ч твердой породы (из расчета 30% от 150 м³/ч пульпы).

· Время отработки камеры:

6. Параметры камеры и добычи

7. Рекомендации

1. Для увеличения объема добычи:

o Увеличить время воздействия гидромонитора (радиус размыва возрастет до 3–3.5 м).

o Добавить реагенты-разрыхлители (например, полиакриламид).

2. Контроль устойчивости:

o Мониторинг стенок камеры во избежание обрушения.

3. Оптимизация для янтаря:

o Снизить скорость потока до 1.5–2 м/с для сохранения крупных зерен.

o Установить уловители на изливной трубе.

Заказать расчет параметров скважинной гидродобычи янтаря (СГД) для конкретных горно-геологических условий разработки и приобрести технологический регламент с оборудованием можно связавшись с к.т.н. горным инженером, геотехнологом Николаем Бычеком.

Прочитать и скачать статью в формате PDF можно по ссылке на нашем файле в канале на ВК