О расчете гидроэлеваторов для подъема пульпы на поверхность при скважинной гидродобыче твердых полезных ископаемых

С е к ц и я  9

Бурение скважин

К ВОПРОСУ О РАСЧЕТЕ ГИДРОЭЛЕВАТОРОВ ДЛЯ ПОДЪЕМА ПУЛЬПЫ НА ПОВЕРХНОСТЬ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Научный руководитель профессор

Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

Одним из основных способов подъема пульпы на поверхность при скважинной гидродобыче (СГД) твердых полезных ископаемых является гидроэлеваторный способ, сущность которого заключается в применении эжекторных устройств, обеспечивающих смешение двух потоков (пульпы и рабочей жидкости) с разным давлением с образованием смешанного потока со средним значением давления.

Одной из значимых проблем при разработке гидроэлеваторов является их расчет, который должен обеспечить определение геометрических и гидравлических параметров эжекторного устройства.

Большинство современных методов расчета эжекторных устройств основаны на сочетании теоретических и экспериментальных исследований. К таким методам относятся работы Фридмана Б.Э. [6], Каменева П.Н. [2], Соколова Е.Я. и Зингера Н.М. [4] и др. Такой подход к расчету может нести частный характер, а полученные выводы могут быть справедливы лишь для определенных конструкций эжекторов и условий их работы [1]. Большой интерес представляет методика расчета эжекторных устройств, разработанная Арбитом В.С., которая позволяет без проведения экспериментальных исследований определять оптимальные параметры эжекторов, работающих в докавитационном режиме для решения конкретной технической задачи [1].

Предлагаемый нами расчет гидроэлеваторов для подъема пульпы на поверхность при СГД основан на использовании ряда формул и утверждений вышеупомянутых ученых. Для расчета гидроэлеваторов необходимо задаваться следующими исходными данными: эжектируемый расход пульпы Q₂, удельный вес рабочей жидкости γ_р и пульпы γ_п, высота подъема пульпы H₃, динамический уровень в скважине Н_д, глубина погружения эжектора под динамический уровень Н_пд, размер максимальной фракции d_т и удельный вес транспортируемой горной породы γ_т, диаметр пульпоподъемной колонны d₃. Следует отметить, что рабочая жидкость должна поступать в гидроэлеватор от насоса с жесткой напорно-расходной характеристикой.

Расчетная схема гидроэлеватора приведена на рисунке. Расчет гидроэлеваторов при СГД сводится к следующим операциям:

1. Рассчитывается диаметр камеры смешения d₂, исходя из крупности поднимаемых частиц горной породы (d_т = 0,75 d₂ [6]) и условия: n = f₃/f₂ ≥ 3 [6] (где n – степень расширения диффузора; f₂ и f₃ площади сечения соответственно камеры смешения и выходного сечения диффузора). Следовательно,

                                                                                                              (1)

2. Рассчитывается скорость в камере смешения v₂^′ (м/с), которую необходимо знать для подъема пульпы на заданную высоту [6]

                                                                                                                (2)

где g = 9,81 м/c² – ускорение свободного падения; σ_опт – оптимальная степень восстановления давления в диффузоре, σ_опт = 0,87 при коэффициенте гидравлического сопротивления диффузора ξ_диф = 0,16 для высоты подъема пульпы Н₃ ≥ 20 м и σ_опт = 0,89  при коэффициенте гидравлического сопротивления диффузора ξ_диф = 0,14 для высоты подъема пульпы Н₃ < 20 м; Н^′′′ – потери напора для пульпы в пульпоподъемной колонне, м; H₃ – высота подъема пульпы, м; η_диф – к.п.д. диффузора.

Согласно исследованиям Г. Н. Ройера [3], потери напора для пульпы при турбулентном режиме течения определяются как потери напора для воды. Следовательно, H^¢¢¢ = (H_р^¢¢¢g_п)/g_р,                                                             (3)

где Н_р^′′′ – общие потери напора при движении воды по пульпоподъемной колонне с такой же скоростью, как и пульпа, м, определяемые по формуле H_р^¢¢¢= Н_р1^′′′+ Н_р2^′′′,                                                                                               (4)

где Н_р1^′′′ – потери напора по длине трубопровода, м; Н_р2^′′′ – местные потери напора, м. Н_р1^′′′ рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха [5] H_р^¢¢¢=(lH₃v₂^{¢ 2})/(2gd₃),                                                                                                        (5)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и относительной шероховатости труб. Н_р2^′′′ рассчитывается по формуле Вейсбаха [5] Н_р2^′′′=(ξ_м v₂^{¢ 2})/2g,                                            (6)

где ξ_м – коэффициент местного сопротивления. К.п.д. диффузора определяется по формуле [6]

h_диф = 1–[x_диф /(1–1/n²)].                                                                                    (7)

3. Рассчитывается общий расход гидросмеси через камеру смешения Q₃^¢ (м³/ч), учитывая расчетную скорость в камере смешения

Q₃^¢ = (pd₂²v₂^¢)/4.                                                                                                  (8)

4. Рассчитывается необходимый расход рабочей жидкости Q₁^′, выходящей из насадки гидроэлеватора

Q₁^′ = Q₃^′–Q₂.        (9)

5. Определяется фактический расход рабочей жидкости Q₁, исходя из технической характеристики применяемого насоса. При этом Q₁≥ Q₁^′. А также определяется фактический общий расход гидросмеси