Расчёт гидромонитора с эрлифтом для гидродобычи россыпных полезных ископаемых из песчано-глинистых пород

1.

к.т.н. горный инженер, геотехнолог, гидрогеолог
Николай Дмитриевич Бычек (Россия. Астрахань)
Астрахань. тел. +7 927 586 3826 e-mail: sapropex@mail.ru
Расчет скважинного гидромонитора с эрлифтом для скважинной гидродобычи
россыпных полезных ископаемых из песчано-глинистых мелкогалечниковых пород
Расчет выполнен с целью оптимизации процесса скважинной гидродобычи россыпных
драгоценных камней и россыпного золота из слабосцементированных песчано-глинистых
мелкогалечниковых пород с глубин до 35 м и мощности продуктивного слоя 0,45-1,25 м.
Технология применима при отборе валовых показательных проб в процессе проведения
геологоразведочных работ и на разработке «карманов» аллювиальных сапфироносных или
золотоносных отложений самоходными или передвижными модульными комплексами в
условиях неравномерного распределения полезного ископаемого по продуктивной толще.
Технология и оборудование по способу успешно применяются при СГД апробировании и
отработке малых богатых россыпей полезных ископаемых, таких как золото, алмазы,
сапфиры, янтарь, др.
1. Исходные данные:
Параметр
Значение
Диаметр водоподающей трубы (D₁)
73 мм
Диаметр пульпоподъемной трубы (D₂)
258 мм
Диаметр воздухоподающей трубы (D₃)
44 мм
Глубина скважины (H)
35 м
Удельный вес пород (γₚ)
2400–2600 кг/м³ (среднее 2500 кг/м³)
Плотность воды (γₗ)
1000 кг/м³
Производительность насоса (Q)
120 м³/ч = 33,3 л/с

2.

Параметр
Значение
Напор насоса (P)
4,5 МПа = 45 бар
Коэффициент разрыхления породы (Kₚ)
1,8
Коэффициент гидросмеси (Kₛ)
1,3
2. Расчет гидромониторных насадок
2.1. Определение расхода воды и скорости в трубе
Расход воды (Q):

3.

Скорость воды в трубе (V₁):
2.2. Расчет диаметров насадок
Горизонтальные насадки (2 шт.)
Скорость истечения (V₂): 40 м/с (для разрушения породы)
Расход на одну насадку:
Диаметр насадки (d₁):
Вертикальная насадка (1 шт.)
Скорость истечения (V₃): 15 м/с (для создания пульпы)
Расход через вертикальную насадку:
Диаметр насадки (d₂):
3. Расчет эрлифта для подъема пульпы
3.1. Определение расхода пульпы
Объемная концентрация твердого (C):

4.

Расход пульпы (Qₚ):
3.2. Расчет параметров эрлифта
Глубина погружения аэратора (h):
h = 0,6×H = 0,6×35 = 21 м
Давление воздуха на входе (Pₐ):
Pа = 0,1×(H−h)+1=0,1×(35−21)+1 = 2,4 атм = 0,24 МПа
Расход воздуха (Qₐ):
3.3. Проверка скорости воздуха в трубе
Скорость воздуха (Vₐ):
(Допустимо: 30–100 м/с)
5. Подбор компрессора
Требуемые параметры:
Производительность: ≥6,2 м³/мин
Давление: ≥0,24 МПа
Рекомендуемые российские компрессоры:
1. Компрессор ВК-6,3 (6,3 м³/мин, 0,7 МПа)
2. ПКСД-5,5 (5,5 м³/мин, 0,8 МПа)
3. КВ-7/0,7 (7 м³/мин, 0,7 МПа)
Выбор: ВК-6,3 (надежный, подходит по параметрам).
6. Итоговые параметры системы

5.

Параметр
Значение
Гидромонитор
Диаметр горизонтальных насадок
23 мм (2 шт.)
Диаметр вертикальной насадки
29 мм (1 шт.)
Эрлифт
Расход воздуха
6,2 м³/мин
Давление воздуха
0,24 МПа
Глубина погружения аэратора
21 м
Компрессор
ВК-6,3 (6,3 м³/мин, 0,7 МПа)
Вывод:
Гидромонитор с насадками 23 мм (горизонтальные) и 29 мм (вертикальная) обеспечит
разрушение породы и формирование пульпы.
Эрлифт с компрессором ВК-6,3 обеспечит подъем пульпы на поверхность.
Система работоспособна при заданных условиях.
Проверочный расчет расстояния разрушения пород незатопленной горизонтальной
струей гидромонитора
Исходные данные:
Диаметр насадки (d): 23 мм = 0,023 м
Давление на выходе из насадки (P): 4,5 МПа
Скорость истечения (V): 40 м/с
Плотность воды (ρ): 1000 кг/м³
Плотность породы (ρₚ): 2500 кг/м³
Коэффициент прочности породы (K): 0,1
Угол наклона струи (α): 30° (оптимальный для горизонтальных насадок)
1. Расчет начальных параметров струи:
1.1. Расход через одну насадку:
Q = V·A = 40·(π·0,023²/4) = 0,0166 м³/с

6.

1.2. Начальная кинетическая энергия струи:
E₀ = ρ·V²/2 = 1000·40²/2 = 800000 Па = 0,8 МПа
2. Расчет траектории незатопленной струи:
2.1. Дальность полета по горизонтали:
L = (V²·sin(2α))/g = (40²·sin(60°))/9,81 = 141 м
Однако это теоретическая дальность без учета:
сопротивления воздуха
распада струи
взаимодействия с породой
3. Расчет эффективного расстояния разрушения:
3.1. По формуле Лейбензона для незатопленных струй:
L = (d·√P)/K·k₁
где k₁ = 1,5 - коэффициент для незатопленной струи
L = (0,023·√4,5·10⁶)/(0,1·1,5) = 0,73 м = 73 см
3.2. По эмпирической зависимости для песчано-глинистых пород:
L = 25·d·(P/γₚ)^0,5 = 25·0,023·(4,5/2,5)^0,5 = 0,69 м = 69 см
4. Проверка по давлению в струе:
4.1. Давление на расстоянии L:
P(L) = P₀·(d/(d + 0,1·L))² = 4,5·(0,023/(0,023 + 0,1·0,7))² ≈ 0,85 МПа
4.2. Сравнение с прочностью породы:
Для разрушения требуется P(L) > 0,5 МПа (для слабосцементированных пород)
5. Учет распада струи:
5.1. Длина компактного ядра:
Lₖ = (6÷8)·d = 7·0,023 = 0,16 м = 16 см

7.

5.2. Зона эффективного разрушения:
Lэфф = (3÷5)·Lₖ = 4·0,16 = 0,64 м = 64 см
6. Рекомендуемое рабочее расстояние:
Оптимальное расстояние: 60-70 см
Максимально допустимое: до 80 см
Минимальное: не менее 30 см (для предотвращения обратного заброса)
Вывод:
Для горизонтальных насадок диаметром 23 мм при давлении 4,5 МПа:
Эффективное расстояние разрушения незатопленной струей: 60-70 см
Максимальная дальность разрушения: до 80 см
Рекомендуемое рабочее расстояние: 65 см ±5 см
Примечание: В реальных условиях при непредвиденной работе под водой эффективное
расстояние будет меньше (40-50 см) из-за сопротивления водной среды.
Расчет объема добычи породы гидромониторной установкой
1. Расчет часовой производительности по породе
Исходные данные:
Расход воды: Qв = 120 м³/час = 33,3 л/с

8.

Концентрация пульпы (по объему): C = 30% (0,3)
Коэффициент разрыхления породы: Kр = 1,8
Формула расчета:
Подставляем значения:
Вывод:
Система способна выводить на поверхность ~28,5 м³ плотной породы в час (или ~51,3 м³
разрыхленной породы).
2. Расчет общего объема добычи из одной скважины
Исходные данные:
Радиус размыва: R = 0,8 м
Высота камеры мощность продуктивного слоя): h = 1,25 м
Форма камеры: цилиндр (считаем идеальный случай)
Формула объема цилиндра:
Подставляем значения:
Учет коэффициента разрыхления (Kр = 1,8):
Вывод:
Из одной скважины можно извлечь:
2,51 м³ плотной породы
4,52 м³ разрыхленной породы

9.

3. Расчет времени отработки одной камеры
При производительности 28,5 м³/час (плотной породы):
Вывод:
Одна камера отрабатывается за ~5 минут при максимальной производительности.
Итоговая таблица параметров добычи
Параметр
Значение
Часовая производительность
- Плотная порода
28,5 м³/час
- Разрыхленная порода
51,3 м³/час
Объем одной камеры
- Плотная порода
2,51 м³
- Разрыхленная порода
4,52 м³
Время отработки камеры
~5 минут
Выводы:
1. Установка обеспечивает высокую скорость добычи — до 28,5 м³/час плотной породы.
2. Один цикл размыва камеры (Ø1,6 м × 1,25 м) занимает около 5 минут.
При внедрении данного технологического решения скважинной гидродобычи в
производственном цикле рекомендуется заключить договор с авторским коллективом
проектировщиков, разработчиков и поставщиков скважинного оборудования СГД под
руководством к.т.н. горного инженера, геотехнолога, гидрогеолога Н.Д.Бычека
Прочитать и скачать статью в формате PDF можно на нашем канале в ВК по настоящей
ссылке