Фізико-технічні основи свердловинної гідротехнології видобутку важких металів розсипних родовищ і техногенних розсипів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ім. М.С. Полякова

УДК [622.016.25:553.072.002.2](043.5)

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ СВЕРДЛОВИННОЇ

ГІДРОТЕХНОЛОГІЇ ВИДОБУТКУ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ

РОЗСИПНИХ РОДОВИЩ І ТЕХНОГЕННИХ РОЗСИПІВ

05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

МАЛАНЧУК Зіновій Романович

Дніпропетровськ - 2003



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному університеті водного господарства і природокористування (УДУВГіП) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Кравець Святослав Володимирович, ректор УДУВГіП.

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор, академік НАН України Честопалов В'ячеслав Михайлович, Інститут геологічних наук НАН України, заступник директора;

доктор технічних наук, професор Садовенко Іван Олександрович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедрою;

доктор технічних наук, професор Блюсс Борис Олександрович, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, завідувач відділом.

Провідна установа: Донбаський гірничо-металургійний інститут Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ, кафедра геології і геодезії.

Захист дисертації відбудеться 7 листопада 2003 р. о 13-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а. факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий “ 3 ” жовтня 2003 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця



АНОТАЦІЯ

Маланчук З. Р. Фізико-технічні основи свердловинної гідротехнології видобутку важких металів розсипних родовищ і техногенних розсипів. - Рукопис. метал гідродинамічний родовище видобуток

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва.” Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація спрямована на дослідження гідродинамічних процесів гідроруйнування, дезинтеграції і гідротранспортування матеріалів розсипів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів і розробку фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку важких металів.

Встановлені закономірності зниження втрат корисного компонента на днищах виймальних камер у залежності від витрати робочого агента, нахилу днища, його шорсткості і процесу витягу корисного компонента з тріщин підстилаючих порід. Розроблені теоретичні основи процесу гідроелеваторного підйому пульпи і метод його розрахунку, який враховує особливості процесу її переміщення, а також вплив затоплення змішувальної камери гідроелеватора на висоту підйому. Доведено, що ефективність свердловинного гідровидобутку досягається за рахунок використання кінетичної енергії падаючого потоку пульпи для додання корисному компоненту початкової швидкості руху, розгону корисного компонента максимальної крупності до швидкості надійного гідротранспортування і підтримкою її постійною по довжині транспортування керованим профілюванням днища камери.

Встановлена невідома раніше закономірність кількісного розподілу мінералів у техногенних розсипах. Доведено, що 95% корисного компонента сконцентровано в ядрі розсипу, параметри якого визначаються конструктивними і технологічними характеристиками промивного устаткування.

На основі гідродинамічних процесів розмиву матеріалів розсипів і гідротранспортування рудних пульп розроблено комплект методик розрахунку параметрів технологічних процесів свердловинного гідровидобутку важких металів розсипних родовищ і техногенних розсипів, який впроваджено в практику наукових досліджень і проектно-конструкторських робіт.

Реалізована у вигляді наукового відкриття і практичних досліджень закономірність формування техногенних розсипів, а також методика пошуку їхніх ядер.

Відмінними рисами запропонованих технічних і технологічних рішень є: відсутність робітників в очисних просторах виймальних камер, збереження земної поверхні з дотриманням комплексу еколого-економічних вимог, які пред'являються до конкретного родовища, впровадження яких в проект освоєння покладів Рівненсько-Волинського регіону дало значний економічний ефект.

Ключові слова: свердловинна гідротехнологія видобутку важких металів, гідроелеватор, гідродинамічні процеси розмиву, фізичне моделювання, гідравлічна крупність, розсипні родовища, техногенні розсипи, гідротранспорт.



АННОТАЦИЯ

Маланчук З. Р. Физико-технические основы скважинной гидротехнологии добычи тяжелых металлов россыпных месторождений и техногенных россыпей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск, 2003.

Работа посвящена исследованию гидродинамических процессов гидроразрушения, дезинтеграции и гидротранспортирования материалов россыпей и обоснованию параметров указанных процессов в условиях соблюдения сбалансированности расхода рабочего агента и минимизации потерь полезного компонента методом скважинной гидротехнологии. Изучены особенности размыва полезного ископаемого и подстилающих пород при приуроченности к последним полезного компонента, самотечного гидротранспорта по днищам выемочных камер, извлечения полезного компонента из трещин подстилающих пород с учетом гидродинамики и фаз рабочего агента, позволяющие оценить снижение потерь полезного компонента на днищах выемочных камер в зависимости от расхода рабочего агента, уклона днища и его шероховатости. Предложены аналитические и эмпирические зависимости гидродинамических характеристик гидроэлеватора.

Разработаны теоретические основы процесса гидроэлеваторного подъема пульпы и метод его расчета, учитывающий особенности процесса ее перемещения, а также влияние затопления смесительной камеры гидроэлеватора на высоту подъема. Доказано, что эффективность скважинной гидродобычи достигается за счет использования кинетической энергии падающего потока пульпы для придания полезному компоненту начальной скорости трогания, разгона полезного компонента максимальной крупности до скорости надежного гидротранспортирования и поддержанием ее постоянной по длине транспортирования управляемым профилированием днища.

Установлена неизвестная ранее закономерность количественного распределения минералов в техногенных россыпях. Доказано, что 95% полезного компонента сконцентрировано в ядре россыпи, параметры которого определяются конструктивными и технологическими характеристиками промывочного оборудования. Предложены следующие методы обнаружения техногенных месторождений и их ядер:

на основании анализа геологической и маркшейдерской документации предприятий, ведущих разработку россыпных месторождений;

по наличию специальной структуры, состоящей из вертикальных стоек и горизонтальных балок, на которые были установлены промывочные приборы;

на базе использования результатов аэрокосмической съемки для составления карты региона, на которой зафиксированы эрозионные депрессии;

по изменению состава растительного покрова техногенной россыпи, представленному в местах формирования ядра золотарником желтого цвета.

Разработан и внедрен в практику научных исследований и проектно-конструкторских работ комплект методик расчета технологических и конструктивных параметров гидродобычных агрегатов, выемочных камер, гидротранспорта и гидроэлеваторного подъема, а также извлечения полезного компонента из трещин подстилающих пород.

На основании анализа гидродинамических процессов размыва материалов россыпей и гидротраспортирования рудных пульп разработан комплект методик расчета параметров технологических процессов скважинной гидродобычи тяжелых металлов россыпных месторождений и техногенных россыпей, который внедрен в практику научных исследований и проектно-конструкторских работ.

Реализована в виде научного открытия и практических рекомендаций закономерность формирования техногенных россыпей, а также методика поиска их ядер.

Отличительными особенностями предложенных технических и технологических решений являются: отсутствие рабочих в очистных пространствах выемочных камер, сохранение земной поверхности с соблюдением комплекса эколого-экономических требований, предъявляемых к конкретному месторождению, внедрение которых в проект освоения залежей Ровенско-Волынского региона дало существенный экономический эффект.

Ключевые слова: скважинная гидротехнология добычи тяжелых металлов, гидроэлеватор, гидродинамические процессы размыва, физическое моделирование на эквивалентных материалах, гидравлическая крупность, россыпные месторождения, техногенные россыпи, гидродобычные агрегаты, гидротранспорт.



ANNOTATION

Malanchuk Z. R. Physical and technical bases downhole hydrotechnologies of a mining of heavy metals placer of deposits and technical looses. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.15.11 - “ Physical processes of mining”. Institute of the geotechnical mechanics of N.S. Poliakov of a National Academy of sciences of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2003.

The dissertation is directed on research of hydrodynamical processes of hydrodestruction, delimitation and hydrotransportation of materials of looses in conditions placer of deposits both technical looses and mining of physical and technical bases downhole to hydrotechnology of a mining of heavy metals.

The laws of a decrease of losses of a useful component on the bottoms of extraction chambers are established depending on the charge of the working agent, inclination of the bottom, his roughness and process of extraction of a useful component of fractures of bases. The theoretical bases of process water of hoisting of a pulp and method of his account are developed which takes into account features of process its moving from an original rule (before mixture) in final (after mixture), and also influence of flooding of the chamber for blending a hydraulic elevator on a hoisting height. Is proved, that the efficiency of hydraulic mining by boreholes is reached at the expense of use of energy of a falling flow of a pulp for giving to a useful component of original speed of movement, dispersal of a useful component of the maximal size to speed of reliable hydrotransportation and support by its constant lengthwise transportations by a controlled structure of the bottom of the chamber.

The law of quantitative distribution of minerals in technical looses is established unknown earlier. Is proved, that 95 % of a useful component is concentrated in a core of a loose, which parameters are defined constructive and technical characteristics of the equipment for washing.

On the basis of hydrodynamical processes of washing out of materials of looses and water moving of ore pulps the complete set of techniques of account of parameters of technological processes of hydraulic mining by boreholes of heavy metals placer of deposits and technical looses is developed which are entered into practice of scientific researches and construction work.

The law of formation of technical looses, and also technique of search of their cores is realized as scientific opening and practical researches.

Distinctive features of the offered technical and technological solutions are: absence of the attendants in working excavations of extraction chambers, preservation of a surface with observance of a complex of the ecological and economic requirements showed to a concrete deposit, which intrusion in the project of development of entrails of the Rovno-Volynsk region has given significant economic benefit.

Key words: downhole hydrotechnology of a mining of heavy metals, hydraulic elevator, hydrodynamical processes of washing out, physical modeling, hydraulic size, placer deposits, technical looses, hydraulic transport.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. У зв'язку з наявністю стратегічних видів сировини в Ровенсько-Волинському районі і ряді інших регіонів України на державному рівні прийняте рішення про їхнє промислове освоєння. Територіальна приуроченість родовищ до заповідних районів обумовила неможливість відкритого способу розробки з екологічної точки зору, а цінність сировини і її важливість для державних інтересів України визначила необхідність залучення даного виду корисних копалин до експлуатації. Відділенням наук про Землю НАН України схвалено основні напрямки “Концепції розвідки, дослідної експлуатації і промислового освоєння стратегічних видів корисних копалин, приурочених до надр Рівненської області” (протокол №7, §35 від 06 липня 1999 року). Дана “Концепція...” передбачає підземний спосіб розробки родовищ з використанням свердловинної гідротехнології видобутку, яка досить добре зарекомендувала себе при видобутку корисних копалин методом вилуговування. Однак використання такого способу для видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ вимагає його науково обґрунтованої адаптації і визначення параметрів усіх процесів, які входять до складу даного способу.

Тенденція розвитку видобутку кольорових, дорогоцінних і рідких металів в умовах розсипних родовищ, яка намітилася останнім часом, передбачає удосконалення способів і схем відпрацювання, технологій видобутку, збагачення і переробки сировини в напрямку підвищення ступеня вилучення корисних копалин з надр і одержання концентрату на місці залягання з залишенням у надрах уміщуючих порід.

Крім корінних і розсипних родовищ, об'єктами для промислового освоєння є техногенні розсипи, які мають значні запаси корисних компонентів. Утворення таких родовищ обумовлено значним обсягом сировини, яка перероблялася, і недосконалістю існуючих на момент видобутку способів і технічних засобів витягу корисних копалин. Здобувачем уперше виявлено і встановлено закономірності кількісного розподілу мінералів у техногенних розсипах, які Міжнародною асоціацією авторів наукових відкриттів визнані науковим відкриттям з видачею диплома № 257 від 17.10.2002 р.

Таким чином, розробка фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів є актуальною науково-практичною проблемою, що має важливе народногосподарське значення, а також необхідні передумови для її вирішення, що ґрунтуються на результатах наукового відкриття.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана відповідно до “Комплексної програми розвитку кольорової металургії України на період до 2010 р.”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України №1918 від 18.10.99р., програми 2.3.8 “Створити й освоїти технології і технічні засоби, які забезпечують екологічно чисті процеси видобутку і переробки корисних копалин за рахунок використання безвідхідних технологій і утилізації відходів промислових виробництв” ДКНТ України, “Концепції розвідки, дослідної експлуатації і промислового освоєння стратегічних видів корисних копалин, приурочених до надр Рівненської області”, схваленої Відділенням наук про Землю НАН України (протокол №7, §35 від 06 липня 1999 року), у якій автор є виконавцем.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей розподілу корисного компоненту по техногенним розсипам та особливостей процесів гідроруйнування, дезинтеграцї і гідротранспортування матеріалів розсипів при обґрунтуванні їх параметрів в умовах дотримання збалансованості витрат робочого агента і мінімізації втрат корисного компонента.

Метою роботи є розробка фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів, які дозволяють підвищити ефективність і забезпечити екологічну захищеність їхнього освоєння.

Задачі досліджень:

1. Дослідити особливості гідродинамічного процесу розмиву матеріалів розсипів і гідротранспортування рудних пульп.

2. Розробити гідродинамічні моделі гідромоніторного розмиву корисних копалин і порід, що їх підстилають, у випадку приуроченості до них корисного компоненту; самопливного гідротранспорту по днищах виймальних камер; гідроелеваторного підйому пульпи з включенням корисного компонента значної гідравлічної крупності.

3. Провести теоретичні дослідження і розробити методи вибору і розрахунку гідроелеваторного підйому пульпи.

4. Провести експериментальні дослідження і перевірку теоретичних передумов досліджуваних гідродинамічних процесів.

5. Установити закономірності кількісного розподілу мінералів у техногенних розсипах і обґрунтувати технологію їхньої розробки.

6. Визначити параметри свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів. Обґрунтувати технологічні і технічні рішення, які забезпечують динамічну погодженість використовуваних процесів.

Методи досліджень. Для рішення поставлених задач використовувався комплексний метод досліджень, що включає в себе системний аналіз і узагальнення досвіду свердловинного гідровидобутку важких металів з розсипних родовищ і техногенних розсипів, статистичну обробку даних, фізичне моделювання гідродинамічних процесів, лабораторні і стендові дослідження з використанням промислових зразків технологічного устаткування, натурний експеримент, техніко-економічний аналіз і прогнозування.

Об'єкт дослідження - свердловинна гідротехнологія видобутку корисних копалин в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів.

Предмет досліджень - гідромеханічні процеси руйнування, переміщення, гідропідйому і гідротранспортування гідросуміші.

На захист виносяться наступні наукові положення:

1. Зниження втрат корисного компонента у виймальній камері до мінімального рівня забезпечується при швидкостях переміщення струменя по вибою в межах 1,0-2,0 м/с і пошаровому розмиві розсипів уступами висотою 0,25-0,30 м з переміщенням зруйнованого матеріалу на відстань, яка дорівнює половині ефективної дальності польоту струменя.

2. Підвищення повноти витягу корисного компонента з розсипу забезпечується шляхом його вилучення з тріщин порід, які підстилають розсип, глибиною до 1,6 м за рахунок двохстадійного впливу на днище виймальної камери, де на першій стадії здійснюється розкриття тріщин повітряним струменем, який подається під днище через похилу свердловину з тиском 0,7-1,0 МПа протягом 12-15 хвилин і наступним змивом і гідроелеваторним підйомом на другій стадії.

3. Зменшення питомих енерговитрат при свердловинному гідровидобутку досягається за рахунок використання кінетичної енергії падаючого потоку пульпи для надання корисному компоненту початкової швидкості зрушення, розгону корисного компонента максимальної крупності до швидкості надійного гідротранспортування і підтримкою її на постійному рівні по довжині транспортування керованим профілюванням днища камери.

4.Втрати корисного компоненту при течії гідросуміші по днищу виймальної камери прямо пропорційні щільності гідросуміші і гідравлічній крупності часток та обернено пропорційні продуктивності гідромонітору і куту нахилу утворюючої днища. Ефективність гідроелеваторного підйому забезпечується дією об'ємних сил по витисненню рідини з камери змішання поршневим рідинним утворенням струменя.

5. Гідродинамічні і дезінтеграційні процеси, які відбуваються на промивних приладах і в падаючому потоці пульпи, що зноситься зі збагачувального шлюзу, обумовлюють формування техногенних розсипів, яким притаманна закономірність кількісного розподілу мінералів з концентрацією корисного компонента до 95 % у ядрі розсипу, що має форму усіченої піраміди, параметри і розташування якої визначаються конструктивними і технологічними характеристиками промивного устаткування.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше встановлені закономірності зниження втрат корисного компонента на днищах виймальних камер у залежності від витрати робочого агента, нахилу днища і його шорсткості.

Виявлено закономірності і встановлені особливості гідромеханічних процесів руйнування матеріалів покладів, а також їхнього переміщення, усмоктування, гідропідйому і гідротранспортування.

Вперше експериментально виявлена і теоретично обґрунтована закономірність кількісного розподілу мінералів у техногенних розсипах, яка полягає в тому, що мінерали, які зносяться зі збагачувальних приладів, концентруються в ядрі відвала у формі усіченої піраміди, параметри і розташування якої визначаються конструктивними і технологічними параметрами промивного устаткування.

Практичне значення отриманих результатів.

Обґрунтовано параметри процесів очисної виїмки при свердловинній гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів.

Удосконалено метод розрахунку гідроелеваторного підйому пульпи, який враховує особливості процесу її переміщення, а також вплив затоплення змішувальної камери гідроелеватора на висоту підйому.

Розроблено і впроваджено комплект методик розрахунку технологічних і конструктивних параметрів гідровидобувних агрегатів, виймальних камер, процесів гідротранспортування і гідроелеваторного підйому, а також витягу корисного компонента з тріщин порід, які підстилають розсип.

Реалізована у виді наукового відкриття і практичних рекомендацій закономірність формування техногенних розсипів, а також методика пошуку їхніх ядер, у яких зосереджене до 95 % запасів корисного компонента, що міститься в даному родовищі.

Методики розрахунку параметрів технологічних процесів свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів передані: Національному гірничому університету і Дніпропетровському національному університету (м. Дніпропетровськ), Українському державному університету водного господарства і природокористування (м. Рівне), Європейському університету (м. Київ) для використання в навчальному процесі і наукових дослідженнях свердловинного гідровидобутку; Міністерству промислової політики України, Рівненській геологічній експедиції державного регіонального управління „Північгеологія” виробничого об'єднання “Укрпівнічгеологія”, Центру “Геополітика”, об'єднанню “Укрбурштин”, для використання в навчальному процесі і при проведенні наукових досліджень.

Економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи в проект освоєння покладів Рівненсько-Волинського регіону складає 592321 грн., розрахунковий обсяг очікуваного економічного ефекту сягає 5 млрд. доларів США.

Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному узагальненні і рішенні важливої для народного господарства науково-технічної проблеми створення фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку важких металів з розсипних родовищ і техногенних розсипів. При цьому автором самостійно сформульовані мета, ідея роботи і задачі дослідження, основні наукові положення, висновки і рекомендації з їхньої практичної реалізації. Ним розроблено комплект методик розрахунку гідродинамічних параметрів плину гідросуміші і гідроелеваторного підйому пульпи, проведене фізичне моделювання в лабораторних умовах і виконано комплекс стендових експериментів. Автор брав безпосередню участь у розробці нових технологічних рішень по удосконалюванню методів свердловинного гідровидобутку. За його участю розроблено основну концепцію наукового відкриття “Закономірність кількісного розподілу мінералів у техногенних золото- і алмазоутримуючих розсипах”. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Результати дисертаційної роботи доповідалися на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу УДУВГіП (м. Рівне, 1998-2003 р.), науково-технічній раді Центра “Геополітика” (м. Рівне, 1997-2003 р.), Міжнародній науково-технічній конференції Львівського політехнічного університету (м. Львів, 1996 р.), науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Дніпропетровського державного університету (м. Дніпропетровськ, 1996 р.), Ученій раді РДТУ (м. Рівне, 1999 р.). науково-технічній раді РДТУ (м. Рівне, 2000 р.), Бюро відділення наук про Землю НАН України (м. Київ, 1999 р.), засіданні Українського науково-технологічного центра (м. Київ, 2000-2001 р.), наукової конференції офісу “Reiko Uchida” (м. Одавара, Японія, 2000 р.), наукових семінарах компаній: “Tri International d.o.o.” (м. Любляна, Словенія, 2000 р.), “Coral Travel Ltd.” (м.Лимассол, Кіпр, 2000 р.), “Bund Deutschland” (м.Фрейбург, Німеччина, 2000 р.), науковому семінарі Асоціації авторів наукових відкриттів України (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), Міжнародній асоціації авторів наукових відкриттів (м. Москва, 2001-2002 р.).

Публікації. По темі досліджень опубліковано 93 друкованих праць, у тому числі 4 монографії і 25 статей в наукових журналах і збірниках, віднесених ВАК України до переліку фахових видань. Пріоритет наукових розробок захищений 2 науковими відкриттями і 1 авторським свідоцтвом.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів і висновку, викладених на 371 сторінках машинописного тексту; у тому числі список використаних джерел на 24 сторінках, 12 додатків на 71 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз існуючих технологічних і технічних рішень, а також моделей гідродинамічних процесів розмиву і гідротранспортування рудних пульп дозволив оцінити їх слабкі і сильні сторони, виділити основні робочі процеси й елементи технологічних схем, визначити класифікаційні ознаки систем свердловинного гідровидобутку.

Виконаний аналіз дозволив чітко визначити необхідність подальшого розвитку теорії, методів розрахунку засобів свердловинної гідротехнології й інженерного забезпечення реалізації її потенційних можливостей.

Показано, що ідеальними системами випробування і розробки повинні бути такі, котрі в силу сукупності сполучень якісних і кількісних характеристик технічних і технологічних параметрів дозволяють одержувати концентрат на місці залягання, залишаючи в надрах уміщуючи породи.

Такий підхід визначив вибір води в якості робочого агента, а для систем, які використовуються у складних гірничо-геологічних умовах - застосування води і стиснутого повітря. Призначення останнього - для розкриття тріщин у підстилаючих породах, до яких приурочена частина запасів корисних копалин.

Слід відзначити немаловажну обставину, яка полягає в тому, що дослідження гідротранспорту в суміжних областях проводилися, як правило, при сталості витрат робочої рідини, у той час як гідротранспортування у розглянутих умовах відбувається при перемінній витраті води, яка змінюється параболічно. Крім того, більшість досліджень проведено при транспортуванні матеріалу, який не має початкової швидкості, що істотно відрізняється від умов розмиву і гідротранспортування матеріалу по днищу камери, де вимиті гідромонітором частини корисних копалин мають значний запас кінетичної енергії при падінні на днище камери.

Тріщинуватість підстилаючих порід, приуроченість до них корисного компонента і створення ефективних способів і засобів його витягу, є складовими частинами систем випробування і розробки методів свердловинного гідровидобутку (СГВ).

Результати відомих експериментальних досліджень впливу підпору рідини показують, що при збільшенні затоплення в гідроелеваторі починають діяти додаткові фактори, які сприяють гідропідйому, але не враховуються в теорії змішання потоків. Використання емпіричних коефіцієнтів чи інтегральних кривих для обліку підпору не може дати точного рішення задачі, тому що є правомірним лише для умов експерименту, з якого вони отримані. Таким чином, мається очевидна необхідність створення теоретичних основ роботи гідроелеватора в умовах досить великих значень затоплення.

На думку багатьох авторів, техногенні розсипи необхідно розглядати як потенційні об'єкти видобутку дорогоцінних металів з мінімальними капітальними й експлуатаційними витратами, ще й без проведення дорогих геологорозвідувальних робіт. Тому, проблема промислового освоєння техногенних розсипів є актуальної, як по запасах дорогоцінних і рідких металів, що збільшуються в ретроспективі їхнього утворення, так і по працевлаштуванню населення, яке вивільняється при закритті нерентабельних золотодобувних підприємств.

Експериментальними дослідженнями розмиву матеріалів розсипів і гідротранспортування рудних пульп встановлено характерні особливості кожного з процесів. Натурні дослідження проводилися в умовах дослідної ділянки з оголеною поверхнею корисних копалин. Гідромонітор встановлювався у вершині сектору розмиву. В якості компенсаційної виробки використовувалася траншея, яка закладалася на відповідній відстані від вершини сектору. Під час експерименту вимірювалися параметри струменя в залежності від насадок гідромонітору; час, потрібний на розмив і вигін шару корисних копалин потужністю h_П і підстилаючих порід на глибину h_ПП із сектору з кутом а. Для встановлення характеру розподілу втрат корисного компоненту передбачалося визначення його середнього вмісту по блоку до і після розмиву. Випробування на вміст корисного компоненту здійснювалися відповідно до діючих інструкцій з геологічного обслуговування розробки розсипних родовищ.

Швидкість переміщення струменя по забою змінювалась від 0,5 до 2,1 м/с. Розмив корисних копалин і підстилаючих порід здійснювався пошарово при висоті уступа 15 - 25 см з переміщенням їх струменем на граничну відстань. Відбій, транспортування і зачистка підстилаючи порід по суті представляли єдиний процес і виконувались шляхом послідовної дії струменя на забій, що зміщувався.

Порівнюючи величини радіусів для однакових параметрів струменя, слід зазначити більш високі їхні значення при розмиві порід, що підстилають, як це показано на рис. 1, 2.

На ефективність розмиву порід з однаковими фізико-механічними властивостями впливає час впливу струменя на забій, який визначається швидкістю її переміщення. Встановлено, що при пошаровому розмиві корисних копалин попутним забоєм збільшення часу впливу струменя на масив веде до утворення вруба і зниження ефективності розмиву. Утворення вруба при обертанні ствола гідромонітора з кутовою швидкістю щ =1 об/хв спостерігалось на віддалі до 6 - 8 м від насадки. Швидкість переміщення струменя по забою при цьому змінювалось від 0,37 до 1,0 м/с. Утворенню вруба сприяло також відносно високе значення кута зустрічі струменя з поверхнею, величина якого при переміщенні забоя від 0 до 6 м від насадки гідромонітора змінювалась від 28^° до 10^°. З ціллю підвищення ефективності розмиву і переміщення гідропульпи на віддалі до 6 - 8 м від насадки кут нахилу струменя до поверхні розмиву не повинен перевищувати 5 - 7^°; швидкість переміщення струменя по забою обмежується при цьому до 1,0 - 2,0 м/с, а висота забою при розмиві через насадки діаметром 15 - 35 мм складає 25 - 30 см.

Основою для виявлення характеру зміни втрат корисних копалин на підстилаючих породах різного виду послужили результати досліджень на дослідних ділянках. Деяке збільшення втрат корисного компонента на малих віддалях від насадки пояснюється малою швидкістю переміщення струменя по забою, в результаті чого значна частина енергії втрачається на розрідження і переміщення корисних копалин, в результаті чого окремі, більш крупні частини корисного компонента осідають на підстилаючи породи, або затримуються в тріщинах.

На величину втрат корисних копалин, крім параметрів струменя, впливає і характер відкладень підстилаючих порід: їхній склад, міцність, тріщинуватість, а також кут падіння і напрямок дії струменя стосовно площини залягання. Загальний характер зміни втрат корисного компонента після розмиву зображений на рис. 3.

По складу порід продуктивної товщі і відношенню площини нашарування сланців до напрямку дії струменя, породи розділяються на 4 види.

Породи мають різну міцність, тріщинуватість і, як наслідок, розмиваються нерівномірно.

Практично відсутні втрати на поверхні породи, представленої глинистими різностями, що ілюструється даними.

Приуроченість запасів до зони тріщинуватості послужило підставою до створення спеціальних систем випробування і розробки, особливість яких полягає в тому, що поряд з основною виїмкою корисної копалини, здійснюється витяг корисного компонента з зони тріщинуватості, у якій виділені 4 підкласи тріщинуватості (0,003-0,01; 0,01-0,03; 0,03-0,1 і більш 0,1 м).

На підставі проведених досліджень отримано залежності, які визначають абсолютний обсяг витягу заповнювача з тріщин підстилаючих порід (Vтр), ореол впливу однієї свердловини на масив підстилаючих порід (r), кількість свердловин (K_kc) і питомі енергетичні витрати на довилучення заповнювача водою на третин стадії (ЕВ).

Моделювання течії гідросуміші по днищу виймальної камери враховувало, що при свердловинному гідровидобутку руйнування породи в ній здійснюється гідромоніторним струменем. Характеристиками і режимом роботи гідромонітора визначаються параметри плину гідросуміші по дну виймальної камери, а також режим роботи гідроелеватора, що використовується для підйому пульпи на денну поверхню.

Радіус розмиву для струменя гідромонітору визначається за умов руйнування породи в залежності від витрат води і напору гідромонітору. Цими ж величинами визначається товщина шару пульпи при надходженні на дно виймальної камери.

При цьому, плин пульпи по днищу виймальної камери буде здійснюватися без розриву сплошности потоку на його конічній поверхні, якщо для частоти обертання гідромонітора виконується умова де Ro - радіус приймальної камери гідроелеватора; n - коефіцієнт шорсткості поверхні; y - емпіричний коефіцієнт у формулі Н.Н. Павловського для залежності коефіцієнту Шезі від гідравлічного радіусу; в - кут між утворюючої днища виймальної камери і вертикаллю.

До приймальної камери гідроелеватора пульпа тече по дну виймальної камери "самопливом", при цьому певна доля часток коштовного компоненту більшої гідравлічної крупності, ніж частки уміщуючих порід, випадає на дно потоку, накопичуючись в порах, тріщинах і шорсткостях її днища. Ця доля часток відноситься до втрат коштовного компонента. Для дослідження процесу плину пульпи по днищу виймальної камери й оцінки величини втрат коштовного компонента, в роботі запропонована математична модель плину гідросуміші перемінної щільності, яка змінюється в результаті випадання на дно часток твердого матеріалу. При цьому вважається, що матеріал, який випав, не утворює донного рухливого шару, а накопичується в порах, тріщинах і шорсткостях днища. Математична модель має вигляд де h - товщина шару; х - поточна координата, відлічувана по довжині утворюючої днища виймальної камери від укосу; и - осереднена швидкість по живому перетину шару; П - втрати коштовного компоненту при плині пульпи по днищу виймальної камери; ц - об'ємна частка коштовного компонента в пульпі; с_S - щільність часток коштовного компонента; с_c - щільність часток пустої породи; с_l - щільність несучої рідини; у - об'ємна частка пустих порід у пульпі; w_o - гідравлічна крупність часток коштовного компоненту в нестиснених умовах; с_о - щільність води.

Початкові умови для рішення задачі Коші для системи (5)-(6) задаються в місці надходження пульпи до днища виймальної камери (x=0) і з урахуванням (3) мають вигляд де а_о - вміст коштовного компоненту в матеріалах розсипу.

Моделювання гідромеханічних процесів при гідроелеваторному підйомі пульпи з виймальної камери на денну поверхню враховує її технологічно необхідний обсяг. Гідроелеватор розташовується на дні виймальної камери в самій нижній її відмітці, а відцентровий насос, який забезпечує напір гідроелеватора, знаходитися на денній поверхні.

Припускаючи, що витратно-напірна характеристика відцентрового насоса описується поліномом другого ступеня щодо подачі, а напір гідроелеватора визначається в залежності від його ККД і масового коефіцієнта подачі, у роботі пропонується визначати коефіцієнт ежекції гідроелеватора з рішення наступного рівняння де - концентрація коштовного компонента в пульпі на вході в гідроелеватор; - довжина усмоктувального трубопроводу гідроелеватора; - висота гідросуміші в приймальній камері гідроелеватора; - різниця геометричних відміток насоса і вихідного сопла гідроелеватора; - різниця геометричних відміток вихідного сопла гідроелеватора і виходу з нагнітального трубопроводу на денній поверхні; - витрати води через сопло гідроелеватора; - витрата гідросуміші в усмоктувальному трубопроводі; - коефіцієнт ежекції; - ККД гідроелеватора; - коефіцієнт гідравлічного опору тертя; - сумарна довжина невертикальних ділянок трубопроводу між гідроелеватором і відцентровим насосом; ,- сумарний коефіцієнт місцевих гідравлічних опорів і діаметр трубопроводу, що з'єднує гідроелеватор з відцентровим насосом; ,- сумарні коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів всмоктувального і нагнітального трубопроводів; ,- діаметри усмоктувального і нагнітального трубопроводів; - коефіцієнти апроксимації витратно-напірної характеристики відцентрового насосу ; - щільності часток коштовного компонента і води;

- коефіцієнт сили опору часток породи; - крупність часток породи; - відношення гідравлічної крупності часток породи до середнього значення турбулентної пульсації швидкості потоку.

Рівняння (14) визначає критичну швидкість в усмоктувальному трубопроводі гідроелеватора, тобто мінімальну швидкість, при якій забезпечується підйом часток коштовного компонента по усмоктувальному трубопроводу.

Для визначення величини ККД при різних параметрах і режимах роботи гідроелеватора були проведені експериментальні дослідження залежності від відносної довжини змішувальної камери, вираженої в калібрах насадки та у власних калібрах , а також модуля гідроелеватора при різних значеннях відносного напору

Апробація модельних представлень проводилася шляхом технологічного випробування гідродинамічних процесів розмиву і плину гідросуміші.

Для створення надійного транспортування корисних копалин по днищу виймальної камери, необхідно залишити в камері деякий обсяг продуктивного тіла покладу, обмежений знизу поверхнею підстилаючих порід і бічною поверхнею циліндра діаметром, обумовленим радіусом розмиву R_ni чи граничним прольотом оголення покрівлі камер L_npi. Обсяг корисних копалин, що втрачається, у виймальній камері, описується формулою: для Н ? 50 м:

,

Н > 50 м: .

Ефективне використання способу гідросвердловинного видобутку з погляду стійкості камер теоретично можливо до глибин, на яких величина гірського тиску починає дорівнювати межі міцності масиву гірських порід на стиск де: Н_пр - гранична глибина застосування систем; г і у_сж - відповідно щільність породи і межа міцності порід на стиск; К_ф - коефіцієнт форми цілини: для стрічкової цілини К_ф = 1,0 для зіркоподібного К_ф = 0,7.

При середніх значеннях межі міцності порід на стиск у_сж = 22,5·10⁵ Па і щільності порід 2,08· 10⁴ т/м³ критична глибина застосування систем із залишенням стрічкових ціликів складе 108 м, систем із зіркоподібними ціликами - 76 м.

З огляду на залежність показника и порід від кута укосу стінок цілика і для забезпечення стійкості на необхідний час t для визначеної глибини (при відсутності інших заходів щодо зміцнення цілика чи поліпшенню умов його роботи), рекомендується формувати кут укосу цілика зі значенням.

Синтез оптимальних теоретичних і експериментальних досліджень дозволив вперше встановити закономірність кількісного розподілу мінералів у техногенних розсипах і розробити технологічні схеми розробки техногенних розсипних родовищ. Представлення про формування техногенних родовищ базується на виявленій закономірності розподілу корисних мінералів по тілу відвалів і розглядається на прикладі відкритого способу розробки розсипів з використанням гідроелеваторних промивних приладів. Аналогічні закономірності встановлені при гідравлічному способі розробки розсипів, при збагаченні пісків підземного видобутку, а також при формуванні відходів стаціонарних збагачувальних фабрик, які працюють на мінеральній сировині поліметалевих і рідкоземельних родовищ.

Фізична сутність встановленої закономірності розподілу корисного компонента в межах техногенного розсипу полягає в тому, що самопливне гідротранспортування пульпи, яка зноситься зі збагачувальних шлюзів, по поверхні відвала характеризується мінливістю параметрів процесу, обумовленій зміною питомої витрати води по довжині транспортування і зменшенням швидкостей потоку. Транспортуюча здатність потоку максимальна в зони ерозійної депресії і мінімальна на рівні підошви відвалу.

Це справедливо для умов, у яких не відбувається міграція води по шпаровим просторам порід техногенного родовища, наприклад, у техногенних розсипах, складених хвостами збагачення з великим вмістом мулу і глини, включаючи ефельні відвали скрубберних приладів.

У цьому випадку відбувається кольматація шпарового простору порід, які складають техногенний розсип. На поверхні відвала неможливе збереження таких швидкостей потоку, які дозволили б транспортувати усі хвости, включаючи корисні компоненти, що зносяться зі шлюзів. Зазначені особливості складають основу механізму формування ядра техногенного розсипу.

Для цих умов розрахунок профілю здійснюється з урахуванням зміни глибини потоку, витрат і швидкості руху рідини по довжині транспортування, а також кута сектора транспортування.

Розміри верхньої основи ядра на рис.12 відповідають розмірам ерозійної депресії по верху. Враховуючи, що мінімальне значення Hmin прагне до нуля, довжину ерозійної депресії D з достатнім ступенем точності можна прийняти рівній ширині потоку пульпи Ш в шлюзі, а ширину депресії В - рівну глибині потоку h. Аналогічні розміри D1 і B1 нижньої основи ядра, які відповідають максимальним граничним розмірам ерозійної депресії при Hmax встановлюють із залежностей де а - кут розпаду падаючого потоку пульпи.

Кут розпаду падаючого потоку пульпи залежить від положення H, значення якого визначає ступінь аерації потоку. Для практичних розрахунків і виходячи з граничного значення Hmax, яке не перевищує 15 м для гідроелеваторних приладів, кут розпаду з необхідною точністю розрахунків може бути прийнятий рівним а = 7°.

Техногенні розсипи необхідно розглядати як потенційні об'єкти видобутку дорогоцінних металів з мінімальними капітальними й експлуатаційними витратами. При цьому не потрібно проведення дорогих геологорозвідувальних робіт.

З огляду на виявлені закономірності розподілу корисного компонента в межах техногенного покладу, запропоновано наступні методи виявлення її ядра:

на підставі аналізу геологічної і маркшейдерської документації підприємств, які ведуть розробку розсипних родовищ;

по наявності спеціальної структури, що складається з вертикальних стійок і горизонтальних балок, на які були встановлені промивні прилади;

на базі використання результатів аерокосмічної зйомки для складання карти регіону, на якій зафіксовані ерозійні депресії;

по зміні складу рослинного покриву техногенного розсипу, представленого у місцях формування ядра золотарником жовтого кольору.

Основна маса (95 %) мінералів, які втрачаються при збагаченні корисних копалин, приурочена до ядра техногенного покладу. Пропонується селективна виїмка ядер з техногенних розсипів, що дозволяє знизити обсяги переробки гірської маси в 1000 разів у порівнянні із суцільною розробкою.

При практичному використанні розроблених гідродинамічних моделей для розрахунку параметрів конкретних конструктивних елементів гідроелеваторного підйому необхідно пам'ятати, що кожний з них є ділянкою технологічного ланцюга, і від показників його роботи залежить стабільність роботи всього комплексу гідровидобутку.

З урахуванням цього проведено методичне обґрунтування способу свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів. Запропоновано метод вибору систем розробки і методів гідровидобутку по гірничо-геологічних і техніко-економічних показниках. Показано, що цінність корисного компоненту впливає на вибір системи, тому в комплексі з економічними критеріями встановлюється оптимальність прийнятого рішення. Такі фактори, як ступінь розвіданості, вивченості і досвіду розробки родовища (чи аналогічних), наявність закладного матеріалу і води природних джерел, сприятливий рельєф денної поверхні та інші повинні бути враховані при остаточному виборі і проектуванні систем.

Альтернатива вибору свердловинної гідротехнології видобутку на попередній стадії здійснюється в рамках укрупненого техніко-економічного аналізу. Вибір на користь того чи іншого способу гідровидобутку може бути встановлений на підставі аналізу показників базового родовища.

Запропоновані до практичного використання методи розрахунку параметрів виймальних камер і міжкамерних ціликів з урахуванням впливових факторів: глибини розробки, форми виймальних камер і міжкамерних ціликів, особливостей технології виїмки корисних копалин з камер.

Розроблено рекомендації з розрахунку параметрів процесів очисної виїмки при опробуванні. Показано, що з урахуванням необхідного обсягу (маси) представницької проби, радіуси розмиву опробувальних виймальних камер не перевищують 1-3 м при значному запасі стійкості покрівлі.

На основі гідродинамічних моделей і результатів досліджень розроблено комплект методик розрахунку параметрів гідроелеватора при роботі з підтопленням. Розроблено методики розрахунку основних технологічних параметрів свердловинних гідравлічних методів опробування, дослідної експлуатації і промислової розробки розсипних родовищ корисних копалин.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректністю постановки розв'язуваних задач, адекватністю розглянутих моделей реальним умовам, статистично значимим обсягом лабораторних, стендових і натурних експериментів, проведенням теоретичних досліджень з використанням фундаментальних положень гідродинаміки, а також позитивними результатами промислових іспитів. Вірогідність отриманих результатів підтверджується задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних даних (розбіжність не перевищує 18%, показники знаходяться в межах довірчої імовірності відхилення). Відтворюваність отриманих результатів забезпечується використанням стандартних приладів, типової апаратури і методів вимірів.



ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій виконане теоретичне узагальнення і рішення значної галузевої проблеми, що має важливе народногосподарське значення і полягає в розробці фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку важких металів в умовах розсипних родовищ і техногенних розсипів.

У процесі виконання роботи отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати:

1. Вперше встановлено закономірності зниження втрат корисного компонента на днищах виймальних камер у залежності від витрат робочого агента, нахилу днища і його шорсткості. Доведено, що зниження втрат корисного компонента у виймальній камері до мінімального рівня забезпечується при швидкостях переміщення струменя по вибою в межах 1,0-2,0 м/с і пошаровому розмиві розсипів уступами висотою 0,25-0,30 м з переміщенням зруйнованого матеріалу на відстань, рівну половині ефективної дальності польоту струменя.

2. Розроблено удосконалений метод розрахунку гідроелеваторного підйому пульпи, який враховує особливості процесу її переміщення а також вплив затоплення змішувальної камери гідроелеватора на висоту підйому.

3. Виявлено закономірності процесу витягу корисного компонента з тріщин підстилаючих порід. Доведено, що підвищення повноти витягу корисного компонента з розсипу забезпечується шляхом його витягу з тріщин у підстилаючих породах глибиною до 1,6 м за рахунок двохстадійного впливу на днище виймальної камери, де на першій стадії здійснюється розкриття тріщин повітряним струменем, який подається під днище через похилу свердловину з тиском 0,7-1,0 МПа протягом 12-15 хвилин і наступним змивом і гідроелеваторним підйомом на другій стадії.

4. Отримано нові аналітичні й емпіричні залежності гідродинамічних характеристик гідроелеватора, які покладено в основу методики розрахунку параметрів виймальних камер. При цьому дотримані умови: розмиву корисної копалини, розмиву підстилаючих порід при приуроченості до них корисного компоненту, самопливного гідротранспорту по днищах виймальних камер, витягу корисного компоненту з тріщин підстилаючих порід, з урахуванням гідродинаміки і фаз робочого агента, а також особливостей фізико-механічних властивостей корисної копалини і підстилаючих порід.

5. Встановлено, що розмив корисних копалин в свердловині приводить до їх дезинтеграцї на корисний компонент і уміщуючи породи, гравітаційного осадження корисного компонента на підстилаючи породи за рахунок перевищення щільності в 2-8 разів. Сукупність зазначених процесів обумовлює закономірність формування виймальної камери у межах розроблювальної потужності розсипу з прирізкою тріщинуватих підстилаючих порід, у які мігрує корисний компонент. При цьому границі ефективного витягу заповнювача залежать від класу тріщинуватості і знаходяться в межах глибини від 0,8 до 1,2-1,6 м, втрати корисного компоненту становлять 5-10 %.

6. Доведено, що ефективність свердловинного гідровидобутку досягається за рахунок використання кінетичної енергії падаючого потоку пульпи для додання корисному компоненту початкової швидкості руху, розгону корисного компонента максимальної крупності до швидкості надійного гідротранспортування і підтримкою її постійною по довжині транспортування керованим профілюванням днища камери.

7. Доведено, що необхідна для підтримки порід покрівлі стійкість камерних виробок забезпечується пошаровим відпрацюванням корисних копалин в межах камери з одночасним формуванням міжкамерних ціликів на повну виймальну потужність і зміцненням їх підтримуючою призмою з корисної копалини при глибинах розробки більш 50 м. При глибинах розробки 76 м стійкість камер забезпечується зіркоподібними міжкамерними ціликами, а при глибинах більше 108 м - стрічковими.

...