Насос Гейзера при скважинной гидродобыче янтаря

1.

к.т.н. горный инженер, геотехнолог, гидрогеолог
Николай Дмитриевич Бычек (Россия. Астрахань)
Астрахань. тел. +7 927 586 3826 e-mail: sapropex@mail.ru
Насос Гейзера при скважинной гидродобыче янтаря
Насос Гейзера – это устройство, использующее принцип периодического выброса
жидкости за счёт накопления давления и его резкого высвобождения. Такой насос
работает циклически: сначала вода (или пульпа) заполняет камеру, затем под давлением
сжатого воздуха происходит её резкий выброс через выпускной патрубок.
Применение насоса Гейзера для извлечения янтаря при скважинной гидродобыче
В скважинной гидродобыче янтаря насос Гейзера может быть полезен для
транспортировки янтаря из добычной камеры на поверхность.
Как это может работать?
1. Образование пульпы
o
В добычной камере вода под высоким давлением размывает янтароносные породы,
образуя смесь воды, песка и кусочков янтаря (пульпу).
o
Насос Гейзера устанавливается в скважине или на поверхности.
2. Цикл работы насоса

2.

o
Фаза накопления: пульпа поступает в камеру насоса.
o
Фаза выброса: в камере создаётся избыточное давление (например, сжатым воздухом или
паром), и пульпа резко выбрасывается вверх по трубе.
o
Янтарь, как менее плотный, чем порода, легче поднимается с потоком.
3. Сепарация на поверхности
o
Выброшенная пульпа попадает в отстойники или виброгрохоты, где янтарь отделяется от
воды и песка.
Преимущества такого метода
Энергоэффективность: насос Гейзера не требует постоянной работы, только
периодические импульсы.
Уменьшение засоров: резкие выбросы могут помочь прокачивать крупные куски янтаря,
которые обычные насосы заклинивают.
Простота конструкции: меньше движущихся частей, чем в центробежных или шнековых
насосах.
Проблемы и ограничения
Нужен точный расчёт давления, иначе возможны повреждения скважины или разрушение
янтаря.
Требуется эффективная система сепарации на поверхности.
Не подходит для очень глубоких скважин без дополнительных усилителей давления.
Вывод
Насос Гейзера может быть полезен в скважинной гидродобыче янтаря как альтернатива
традиционным насосам, особенно если нужно периодически выводить на поверхность
пульпу с крупными фракциями янтаря. Однако его применение требует
экспериментальной проверки и адаптации под конкретные условия добычи.
Расчет насоса Гейзера для извлечения пульпы с янтарем
Исходные данные (для примера):
Производительность: 150 м³/час (0,0417 м³/с)
Внутренний диаметр верхнего купола (камеры): 400 мм (радиус *r* = 0,2 м)
Глубина извлечения (высота подъема): 24,5 м

3.

Плотность пульпы: предположим 1100 кг/м³ (с учетом песка и частиц янтаря)
1. Определение параметров камеры насоса Гейзера
Объем камеры должен обеспечивать запас жидкости для одного выброса.
а) Расчет объема одного выброса
Принимаем частоту выбросов 10 раз в минуту (каждые 6 секунд).
Тогда объем одного выброса:
б) Высота заполнения камеры
Объем цилиндрической камеры:
Отсюда высота заполнения:
(То есть камера должна заполняться на ~2 м перед каждым выбросом.)
2. Расчет давления для выброса на высоту 24,5 м
Используем уравнение Бернулли для определения давления в камере перед выбросом.
Давление должно преодолеть:
Гидростатическое давление столба пульпы
Потери на трение в трубе (примем 10% от общего напора)
а) Гидростатическое давление
б) Учет потерь (+10%)
в) Давление сжатого воздуха/пара в камере
Так как камера заполнена на 2 м, дополнительное давление для вытеснения:

4.

(~3,1 атм избыточного давления в камере перед выбросом.)
3. Расчет энергии и мощности
а) Работа выброса
Энергия, затрачиваемая на подъем пульпы:
б) Мощность насоса
Если выброс происходит за 1 секунду, то мощность:
(Но так как выбросы происходят 10 раз в минуту, средняя мощность меньше.)
4. Расчет диаметра выпускного патрубка
Чтобы пульпа успевала выходить за 1-2 секунды, нужна достаточная скорость потока.
а) Скорость истечения
Используем формулу Торричелли с поправкой на потери:
где φ ≈ 0,85 (коэффициент скорости).
б) Необходимая площадь отверстия сброса
Вывод: нужен патрубок диаметром ~50-60 мм.
5. Итоговые параметры насоса Гейзера

5.

Параметр
Значение
Объем камеры
0,25 м³
Высота заполнения
2м
Давление сжатого воздуха
~3,1 атм
Частота выбросов
10 раз/мин
Диаметр выпускного сброса
50-60 мм
Мощность выброса (пиковая)
~66 кВт
Заключение
Предложенный насос Гейзера сможет поднимать 150 м³/час пульпы с глубины 24,5 м,
если:
Камера имеет диаметр 400 мм и заполняется на 2 м перед выбросом.
Давление в камере перед выбросом ~3,1 атм.
Выпускное отверстие 50-60 мм для обеспечения скорости истечения ~18,5 м/с.
Такой насос может быть эффективен для скважинной гидродобычи янтаря, но требует
испытаний для оптимизации параметров.
Расчет диаметра пульпоподъемной трубы для насоса Гейзера

6.

Для эффективного подъема пульпы с производительностью 150 м³/час (0,0417 м³/с) на
высоту 24,5 м необходимо правильно подобрать диаметр трубы, чтобы:
Обеспечить достаточную скорость потока для предотвращения засорения.
Минимизировать гидравлические потери.
Учесть размер частиц янтаря и песка.
1. Рекомендуемая скорость потока в пульпопроводе
Для пульп с твердыми частицами (песок, янтарь) оптимальная скорость потока:
Минимальная: 1,5–2 м/с (чтобы частицы не оседали).
Рекомендуемая: 2–3 м/с (для надежного транспорта).
Максимальная: 4–5 м/с (чтобы избежать износа трубы).
Выбираем среднюю скорость: 2,5 м/с.
2. Расчет диаметра трубы
Используем уравнение неразрывности потока:
где:
Q = 0,0417 м3/с (расход),
v = 2,5 м/с (скорость).
Выразим диаметр d:
Округляем до стандартного размера:
150 мм (6 дюймов) – ближайший промышленный стандарт.
3. Проверка на засорение и гидравлические потери
а) Максимальный размер частиц
Для трубы 150 мм допустимый размер частиц обычно не более 1/3 диаметра:

7.

(Если в пульпе есть более крупные куски янтаря, может потребоваться труба большего
диаметра или дробление.)
б) Гидравлические потери
Используем формулу Дарси-Вейсбаха для оценки потерь:
где:
λ ≈ 0,02 (коэффициент трения для стальной трубы),
L = 24,5 м (длина подъема),
ρ = 1100 кг/м3 (плотность пульпы).
Подставляем:
(Это допустимо, так как насос создает давление ~300 кПа.)
4. Итоговый выбор диаметра трубы
Параметр
Значение
Расчетный диаметр
146 мм
Стандартный диаметр
150 мм (6")
Скорость потока
2,36 м/с (в пределах 2–3 м/с)
Макс. размер частиц
≤50 мм
Гидравлические потери
~11 кПа (приемлемо)
Рекомендации:
1. Оптимальный диаметр пульпоподъемной трубы – 150 мм.
2. Если в пульпе есть крупные куски (>50 мм), можно:

8.

o
Увеличить диаметр до 200 мм (тогда скорость упадет до ~1,3 м/с, что рискованно для
песка).
o
Установить дробилку перед насосом.
3. Для уменьшения износа использовать трубы с износостойким покрытием (резина,
полиуретан).
Труба DN150 (6 дюймов) – лучший выбор для заданных условий.
Подбор российского компрессора для насоса Гейзера
Условия работы:
Давление в камере перед выбросом: 3,1 атм (изб.) = 0,31 МПа
Объем камеры: 0,25 м³
Частота выбросов: 10 раз/мин
Требуемый расход воздуха: ~0,25 м³ × 10 = 2,5 м³/мин (при 3,1 атм)
Тип привода: электрический (для стабильной работы)
1. Расчет параметров компрессора
а) Требуемая производительность
Компрессор должен обеспечивать 2,5 м³/мин (150 м³/час) сжатого воздуха при давлении
3,1 атм.
Пересчет на всасываемый объем (атмосферные условия):
*(Но на практике компрессоры маркируются по выходной производительности, поэтому
ищем 2,5–3 м³/мин при 3,1 атм.)*
б) Мощность компрессора
Ориентировочная мощность для винтового компрессора:
(где η ≈ 0,7 – КПД компрессора.)
2. Подходящие российские компрессоры

9.

Вариант 1: Винтовой компрессор «Ремеза» (Серия ВК)
Модель: ВК-30/0,8
o
Производительность: 3,0 м³/мин
o
Давление: 0,8 МПа (8 атм) (избыточное, подходит с запасом)
o
Мощность: 22 кВт
o
Производитель: «Ремеза» (Татарстан)
Вариант 2: Винтовой компрессор «Энергомаш» (Челябинск)
Модель: КВЭ-3,0/8
o
Производительность: 3,0 м³/мин
o
Давление: 0,8 МПа
o
Мощность: 22 кВт
o
Производитель: «Энергомаш»
3. Дополнительное оборудование
1. Ресивер (воздухосборник)
o
Объем: 0,5–1 м³ (для сглаживания пульсаций).
o
Пример: Р-1,0 МПа (10 атм) от «Ремеза».
2. Система управления
o
Частотный преобразователь (для регулировки производительности).
o
Пневмоклапаны (для синхронизации с выбросами насоса Гейзера).
4. Итоговая рекомендация
Параметр
Значение
Модель компрессора
Тип
Винтовой
«Ремеза ВК-30/0,8»
Производительность
3,0 м³/мин
Давление
0,8 МПа (8 атм)
Мощность
22 кВт
Ресивер
0,5–1 м³
Управление
Частотный привод + клапаны

10.

Вывод: Лучший выбор – винтовой компрессор «Ремеза ВК-30/0,8» (22 кВт, 3 м³/мин).
Он обеспечит стабильную работу насоса Гейзера с запасом по давлению и
производительности.
Читайте и скачивайте статью в фомате PDF на нашем канале в ВК по настояшей ссылке