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

1.

к.т.н. горный инженер, геотехнолог, гидрогеолог
Николай Дмитриевич Бычек (Россия. Астрахань)
Астрахань. тел. +7 927 586 3826 e-mail: sapropex@mail.ru
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.

2.

Энергоснабжение: Дизельная установка (например, ПНУ-200) 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).

3.

2. Расчет диаметра гидромониторной насадки
Формула расхода воды через насадку:
Подставляем и решаем относительно dd:
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:

4.

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:
Параметр
Значение
Диаметр гидромониторной насадки
25 мм

5.

Параметр
Значение
Диаметр гидроэлеваторной насадки
40–45 мм
Расстояние между насадками
1м
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:
Поток
Доля
(%)
Расход
(м³/час)
Назначение
Гидромонитор
70–80%
105–120
м³/час
Создание высокоскоростной струи для
разрушения песка.
Гидроэлеватор
20–30%
30–45 м³/час
Создание разрежения для всасывания
пульпы.

6.

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
Параметр
Значение
Гидромонитор
70–80% воды (105–120 м³/час)
Гидроэлеватор
20–30% воды (30–45 м³/час)
Регулировка
Зависит от скорости подъема пульпы и качества размыва
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:

7.

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):

8.

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:
Параметр
Значение
Радиус размыва
5–8 м
Производительность
40–60 м³/час песка
Объем добычи на скважину
500–1000 м³
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

9.

Элемент
Диаметр
(мм)
Обоснование
Скважина (бурение)
269–300
Стандартный размер для обсадки трубой 219
мм с зазором.
Обсадная труба
219
Обеспечивает устойчивость стенок скважины
(из статьи).
Водоподающая труба
168
Наружная колонна для подачи воды (из
статьи, СГС-3).
Пульпоподъемная
труба
108
Внутренняя колонна для подъема пульпы (из
статьи).
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:

10.

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:
Параметр
Значение
Диаметр бурения
269–300 мм
Диаметр обсадной трубы
219 мм
Диаметр водоподающей трубы
168 мм
Диаметр пульпоподъемной
108 мм
Глубина обсадки
20 м (до песка)
Радиус размыва
5–8 м
Технология размыва
Струя 25 мм, 5 МПа, конусообразная камера
Рекомендации:
Использовать гибкие шланги (76–150 мм) для подключения к насосам.

11.

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.
Читайте и скачивайте статью в формате PDF на нашем канале в ВК по настояшей ссылке