Технология и оборудование для скважинной гидродобычи строительного песка с глубины 20 м

 

1. Технология скважинной гидродобычи (СГД)

Технология СГД основана на разрушении горной массы (песка) высоконапорной струей воды с последующей транспортировкой гидросмеси (пульпы) на поверхность. Основные этапы:

· Бурение скважины: Диаметр скважины — 269 мм, обсадная труба — 219 мм.

· Установка гидродобычного снаряда: Используется двухтрубный снаряд (например, СГС-3) с наружной колонной 168 мм и внутренней пульпоподъемной колонной 108 мм.

· Разрушение и транспортировка песка:

o Вода подается под давлением 4–6 МПа с расходом 150 м³/час.

o Часть воды направляется на гидромонитор для размыва песка, другая часть — на гидроэлеватор для подъема пульпы.

· Складирование и обработка: Пульпа поступает в отстойник, где происходит отделение песка от воды.

2. Оборудование

· Буровая установка: УРБ-3АМ для бурения скважин.

· Насосные станции:

o Насос высокого давления (например, ЦНС-180/425) для подачи воды под давлением 4–6 МПа.

o Водозаборный насос для обеспечения расхода 150 м³/час.

· Гидродобычной снаряд: СГС-3 с гидромонитором и гидроэлеватором.

· Трубопроводы и шланги:

o Высоконапорные трубы для подачи воды.

o Гибкие шланги (76 мм и 150 мм) для соединения снаряда с системой.

· Энергоснабжение: Дизельная установка или электрическая подстанция.

· Контрольно-измерительная аппаратура: Датчики давления и расхода воды.

3. Особенности для глубины 20 м

· Уменьшенное давление воды (достаточно 4–5 МПа) по сравнению с большими глубинами.

· Возможность использования менее мощного насосного оборудования.

· Более короткое время подъема пульпы, что повышает производительность.

4. Преимущества технологии

· Экономичность: Снижение затрат на добычу и транспортировку.

· Экологичность: Минимальное воздействие на окружающую среду.

· Качество продукции: Отмыв песка от примесей (например, окислов железа) прямо в процессе добычи.

5. Рекомендации

· Для устойчивости кровли скважины рекомендуется проводить выемку песка секторами, избегая длительных простоев.

· После завершения добычи провести рекультивацию участка (засыпку провалов, восстановление ландшафта).

Эта технология особенно эффективна для обводненных месторождений и позволяет добывать песок с минимальными затратами и высоким качеством продукции.

Расчет диаметров насадок и расстояния между гидромонитором и гидроэлеватором

1. Исходные данные

· Глубина залегания песка: 20 м.

· Давление воды на выходе насоса: 4–6 МПа (примем 5 МПа для расчетов).

· Расход воды (Q): 150 м³/час ≈ 0,0417 м³/с.

· Диаметр пульпоподъемной колонны: 108 мм.

· Производительность добычи песка: 60–80 м³/час (примем 70 м³/час).

· Плотность пульпы (смесь воды и песка): ~1400–1600 кг/м³ (примем 1500 кг/m³).

2. Расчет диаметра гидромониторной насадки

Формула расхода воды через насадку:

Подставляем и решаем относительно d:

Диаметр гидромониторной насадки ≈ 25 мм.

3. Расчет диаметра гидроэлеваторной насадки

Гидроэлеватор работает за счет эжекции: вода под высоким давлением создает разрежение, втягивая пульпу.

Формула расхода через эжектор:

Принимаем k = 0,2:

(Это завышенная оценка; реально пульпоподъемная колонна ограничивает расход.)

Диаметр сопла эжектора обычно составляет 30–50% от диаметра всасывающей камеры.
При диаметре пульпоподъемной трубы 108 мм выбираем:

Диаметр гидроэлеваторной насадки ≈ 40–45 мм.

4. Расстояние между гидромонитором и всасом гидроэлеватора

Оптимальное расстояние зависит от:

· скорости струи гидромонитора,

· глубины размыва песка,

· эффективности всасывания пульпы.

Эмпирические рекомендации:

· Для песка расстояние должно быть 0,5–1,5 м.

· При глубине 20 м выбираем 1 м, чтобы:

o обеспечить хороший размыв,

o избежать забивания эжектора крупными частицами.

Вывод:
Оптимальное расстояние ≈ 1 метр.

Итоговые параметры:

Эти параметры обеспечат эффективную добычу песка с глубины 20 м при производительности ~70 м³/час.

Распределение воды между гидромонитором и гидроэлеватором

Для эффективной работы скважинной гидродобычи (СГД) необходимо правильно распределить поток воды между:

· Гидромонитором (размыв песка),

· Гидроэлеватором (подъем пульпы).

1. Исходные данные

· Общий расход воды (Q): 150 м³/час = 0,0417 м³/с.

· Давление насоса: 5 МПа.

· Глубина залегания песка: 20 м.

· Диаметр гидромониторной насадки: 25 мм.

· Диаметр гидроэлеваторной насадки: 40–45 мм.

2. Оптимальное распределение воды

Для глубины 20 м рекомендуется:

· 70–80% воды на гидромонитор – для эффективного размыва песка.

· 20–30% воды на гидроэлеватор – для устойчивого подъема пульпы.

Расчет:

3. Обоснование распределения

· Гидромонитор требует больше воды, так как:

o Скорость струи должна быть ≥ 50–100 м/с для эффективного разрушения песка.

o При давлении 5 МПа и насадке 25 мм расход составит ~105–120 м³/час.

· Гидроэлеватору достаточно 20–30%, так как:

o Его задача – создать эжекционный эффект, а не разрушать породу.

o Избыток воды в эжекторе снижает эффективность всасывания.

4. Регулировка в процессе работы

· Если пульпа поднимается медленно → увеличить долю гидроэлеватора (до 30–35%).

· Если размыв недостаточен → увеличить долю гидромонитора (до 80–85%).

5. Итоговые рекомендации

Такое распределение обеспечит:
✅ Эффективный размыв песка (высокая скорость струи).
✅ Стабильный подъем пульпы (достаточное разрежение в эжекторе).
✅ Гибкость при изменении условий добычи.

1. Радиус размыва добычной камеры гидромонитором

Радиус размыва зависит от:

· Давления воды (5 МПа),

· Диаметра насадки (25 мм),

· Свойств песка (плотность, связность),

· Времени работы.

Эмпирическая оценка:

Для глубины 20 м давление воды 5 МПа:

· Оптимальный радиус размыва: 5–8 м.

· Форма камеры: конусообразная (расширяется книзу).

Формула для оценки:

Подставляем:

Радиус размыва ≈ 5–8 м (зависит от времени работы).

2. Производительность добычи песка (м³/час)

· Теоретическая производительность:

Подставляем:

· Практическая производительность (с учетом потерь):

o 30–50 м³/час (для глубины 20 м).

Ожидаемая добыча песка ≈ 40–60 м³/час из одной скважины.

3. Общий объем добычи из одной скважины

При радиусе размыва 6 м и высоте пласта 20 м:

где:

· kнаполнения ≈ 0,6–0,8 (песок не вынимается полностью).

Подставляем:

Но из-за ограничений по устойчивости кровли (как в статье):

· Фактический объем добычи: 500–1000 м³ на скважину.

Итоговые параметры:

Условия для максимальной эффективности:
✔ Давление воды ≥5 МПа,
✔ Соотношение воды: 70% на гидромонитор, 30% на эжектор,
✔ Отсутствие длительных простоев (чтобы избежать обрушения).

Технические параметры скважинной гидродобычи (СГД) для песка на глубине 20 м

1. Диаметры скважины и труб

Примечание:

· Зазор между обсадной трубой (219 мм) и водоподающей (168 мм) заполняется цементом или уплотнителем.

· Гидромонитор и эжектор размещаются внутри водоподающей колонны.

2. Глубина обсадки скважины

· Обсадка делается до кровли песчаного пласта (т.е. на 20 м).

· Нижняя часть скважины (в песке) остается необсаженной для свободного размыва.

· Обсадка предотвращает обрушение вышележащих пород.

· Открытый забой позволяет гидромонитору эффективно размывать песок.

3. Технология размыва добычной камеры

Этапы работы гидромонитора:

1. Направленная струя воды (70–80% общего расхода) подается через насадку 25 мм под давлением 5 МПа.

o Скорость струи: ~100 м/с (разрушает песок).

2. Образование камеры:

o Песок размывается по радиусу 5–8 м (зависит от времени работы).

o Форма камеры: конусообразная (расширяется вниз).

3. Транспортировка пульпы:

o Разрушенный песок смешивается с водой и всасывается гидроэлеватором (20–30% расхода).

o Пульпа поднимается по трубе 108 мм на поверхность.

Особенности:

· Регулировка струи: Угол наклона гидромонитора меняется для равномерного размыва.

· Контроль устойчивости: При радиусе камеры >8 м возможны обрушения (как в статье, стр. 2).

4. Схема работы скважины

Поверхность

│

├── Обсадная труба (219 мм, до 20 м)

│ │

│ ├── Водоподающая труба (168 мм)

│ │ ├── Гидромонитор (25 мм, 70–80% воды)

│ │ └── Гидроэлеватор (40–45 мм, 20–30% воды)

│ │

│ └── Пульпоподъемная труба (108 мм)

│

└── Открытый забой (песок, размыв до 5–8 м)

Итоговые параметры:

Рекомендации:

· Использовать гибкие шланги (76–150 мм) для подключения к насосам.

· Контролировать устойчивость кровли (максимум 8 м размыва).

· Оптимальное время работы на одну скважину: 10–20 часов (объем добычи 500–1000 м³).

Эта система обеспечит добычу 40–60 м³/час с минимальным воздействием на грунт.

Авторский расчет, технология и оборудование - под управлением к.т.н. горного инженера, геотехнолога Николая Бычека

Читайте и скачивайте статью в формате PDF на нашем канале в ВК по настоящей ссылке​