МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СТЕЦЬ СЕРГІЙ ЄВГЕНІЙОВИЧ

УДК 622.277

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СВЕРДЛОВИННОЇ ГІДРОТЕХНОЛОГІЇ ВИДОБУТКУ ЦЕОЛІТ-СМЕКТИТОВИХ ТУФІВ

05.15.02 – “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Національного університету водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне).

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

МАЛАНЧУК Зіновій Романович,

Національний університет водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне), професор кафедри розробки родовищ корисних копалин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ПЕРЕПЕЛИЦЯ Валентин Григорович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ), завідуючий відділом гірничої аерогазодинаміки, учений секретар інституту;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

САЖНЄВ В'ячеслав Петрович,

Донецький Національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, старший науковий співробітник лабораторії фізичного та математичного моделювання незворотних процесів.

Захист відбудеться “ 21 грудня 2007 р. о _12-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ - 5, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ - 5, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “ 19 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,

к.т.н., доцент В.І. Тимощук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиліття у світі значно зріс інтерес до вулканічних туфів, який пов’язаний з відкриттям родовищ цеолітових туфів, що мають цінні сорбційні, катіонообмінні та інші властивості. Прогнозні ресурси саме таких цеолітовмісних вулканічних туфів у Рівненсько-Волинському регіоні становлять сотні мільйонів тон, тобто є практично невичерпними.

Проведений аналіз стану родовища туфової сировини та результати геологічних досліджень, згідно даних Рівненської та Ковельської геологорозвідувальних експедицій, показують, що відкритим способом розробляти родовище неможливо, так як значна частина його знаходиться під продуктивними приватизованими сільськогосподарськими землями та угіддями, і частково під лісами, що відносяться до заповідної зони. Неможливість відкритої розробки обумовлена також надмірною наводненістю території та збільшенням глибини залягання туфів в північних районах до 200 метрів.

Альтернативою традиційним способам розробки родовища цеоліт-смектитових туфів є геотехнологічні методи, серед яких одним із основних і найбільш перспективних є метод свердловинного гідровидобутку (СГВ).

У зв’язку із широким застосування цеоліт-смектитових туфів питання використання свердловинної гідротехнології для їх видобутку включене в державну програму розвитку мінерально-сировинної бази Рівненської області і записане в ній окремим пунктом з виділенням певного фінансування.

Виходячи з вище викладеного, в дисертаційній роботі запропоноване рішення актуальної наукової задачі, яка полягає у встановленні закономірностей процесу розмиву породи, транспортування в потоці гідросуміші і підйому пульпи на денну поверхню, які необхідні для обґрунтування параметрів свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів і стануть основою теоретичних і технічних рішень щодо особливостей застосування гідровидобувного обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до „Програми розвитку та промислового освоєння мінерально-сировинних ресурсів Рівненської області на період до 2010 року,” затвердженої постановою обласної ради № 586 від 19.12.06р., договірної теми № 01070004178 „Обґрунтування параметрів геотехнологічних методів видобутку корисних копалин в Рівненсько-Волинському регіоні,” що виконується на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Національного університету водного господарства та природокористування, в якій автор є виконавцем.

Ідея роботи полягає у вдосконаленні технології підземної розробки родовищ цеоліт-смектитових туфів гідросвердловинним методом з урахуванням всіх домінуючих чинників процесу гідровидобутку.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є обґрунтування параметрів технології свердловинного гідровидобутку родовищ цеоліт-смектитових туфів шляхом аналізу залежностей між фізико-технологічними показниками гідровидобувного обладнання і масиву породи, що дозволить оптимізувати процес видобування.

Задачі досліджень наступні:

1. Дослідити процес руйнування масиву при різних умовах і методах впливу та виявити домінуючі параметри, що впливають на процес гідродинамічного розмиву цеоліт-смектитових туфів, і встановити залежність продуктивності розмиву від цих параметрів.

2. Дослідити залежність транспортувальної здатності потоку від витрати гідромонітора при різних умовах переміщення зруйнованого туфу у видобувній камері.

3. Розробити математичну модель процесу гідровидобутку.

4. Встановити залежність продуктивності обладнання, вибраного для підйому пульпи на денну поверхню, від його конструктивних та робочих параметрів.

5. Розробити рекомендації з використання свердловинної гідротехнології в залежності від мінерального складу породи, та методику вибору параметрів процесу гідроруйнування і гідротранспортування цеоліт-смектитових туфів на денну поверхню.

Об’єктом досліджень є процес гідравлічного руйнування і транспортування гірської породи з подальшим підйомом пульпи на поверхню при використанні робочих агентів – води та повітря.

Предметом дослідження є параметри гідродинамічного розмиву цеоліт-смектитових туфів, переміщення гідросуміші в умовах видобувної камери та транспортування корисної копалини.

Методи досліджень. При виконанні роботи застосований комплексний метод дослідження, що включає в себе системний аналіз і узагальнення досвіду свердловинного гідровидобутку корисних копалин, фізичне моделювання гідродинамічних процесів, натурні, лабораторні і стендові дослідження з використанням промислових зразків технологічного устаткування, а також метод математичного моделювання – для встановлення залежностей між параметрами свердловинного гідровидобутку.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

1. Раціональна продуктивність руйнування туфу досягається при швидкості переміщення струмини по вибою 0,7...1.4 м/с, куті повороту бічної насадки гідромоніторної головки на 14° та пошаровому розмиві на висоту 15...20 см з переміщенням породи на відстань, що дорівнює половині радіуса розмиву.

2. Вперше встановлено, що спадаюча на дно камери виймання пульпа при значенні похилу дна 0,10...0,20 і шорсткості 0,012...0,019 інтенсифікує турбулентність потоку в привибійному просторі створенням початкової швидкості руху пульпи до всмоктувального патрубка ерліфта, чим зменшує осідання частинок туфу в потоці, максимальна висота якого не повинна перевищувати більше ніж у два рази розмір найкрупніших фракцій зруйнованої породи.

3. Продуктивність ерліфта є експоненціальною залежністю від витрати стисненого повітря і густини утвореної гідросуміші та досягає свого максимального значення при відстані всмоктувального патрубка до дна зумпфа свердловини, яка дорівнює 1,5 діаметра всмоктувального патрубка.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає у наступному:

- встановлені закономірності гідромеханічного процесу руйнування цеоліт-смектитового туфу і визначені співвідношення між показниками енергетичних витрат на розмив;

- вперше встановлений вплив кінетичної енергії падаючого потоку пульпи на зменшення питомих енергозатрат при транспортуванні породи в потоці по дну виймальної камери;

- встановлено, що залежність транспортувальної здатності потоку від витрати гідромонітора і похилу дна камери для зруйнованого цеоліт-смектитового туфу носить лінійний характер та прямопропорційно залежить від вказаних параметрів;

- встановлений одночасний вплив параметрів ерліфта та густини гідросуміші на продуктивність його роботи і таким чином вдосконалена методика розрахунку.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректною постановкою задачі на кожному етапі досліджень, застосуванням апробованих теоретичних і експериментальних методів досліджень, достатнім обсягом і задовільною для практики збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень (середнє відносне відхилення не перевищує 14,2 %).

Практичне значення отриманих результатів:

- в результаті досліджень виявлені домінуючі чинники, що впливають на процес СГВ цеоліт-смектитових туфів;

- розроблені рекомендації з використання свердловинної гідротехнології в залежності від мінерального складу породи та умов залягання;

- розроблена методика вибору параметрів процесів гідроруйнування і гідротранспортування;

- запропоновані технологічні рішення з влаштування видобувних камер круглої форми в потужних пластах породи;

- запропонована схема видобутку туфів з пластів великої потужності.

Реалізація результатів роботи. Методика СГВ цеоліт-смектитових туфів та рекомендації передані Рівненській та Ковельській геологічним експедиціям ДРГП „Північгеологія” для використання у практичній діяльності, центру „Геополітика” для використання при проектуванні існуючих і розробці нових родовищ цеоліт-смектитових туфів, а також НУВГП, Європейському університету, Криворізькому технічному університету, Національному гірничому університету, для впровадження в навчальний процес.

Очікуваний економічний ефект від впровадження рекомендацій з використання свердловинного гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів в проект розробки родовища і практичну діяльність складає >1 млн. грн.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети, задач, наукових положень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, розробленні методики розрахунку гідродинамічних параметрів руху гідросуміші по дну виймальної камери, вирішенні та теоретичному обґрунтуванні важливої науково-технічної проблеми створення фізико-технічних основ свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів з вмістом смектитових компонентів понад 50%, обґрунтуванні параметрів видобувного процесу, створенні рекомендацій щодо застосування свердловинної гідротехнології для розробки родовища туфів.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і результати дисертаційних досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на міжнародних науково-технічних конференціях: ”Машиностроение и техносфера ХХІ века”, (м. Севастополь, 2006р); “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах”, секція “Гірничо-видобувна промисловість”, (м. Славськ, Закарпатська обл., 2006, 2007рр); „Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості”, секція: ”Підземна розробка родовищ корисних копалин”, (м. Кривий Ріг: КТУ., 2006, 2007рр); науково-технічних конференціях центру “Геополітика”, (м. Рівне, 2004...2007рр); а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів в Національному університеті водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2004...2007рр).

Публікації. Результати досліджень за темою дисертації опубліковані в 14 наукових працях, в тому числі: 8 статей у фахових виданнях і збірниках наукових праць, із яких 2 особисто, та 6 тез доповідей у матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загального висновку, переліку використаних літературних джерел із 190 найменувань на 19 сторінках; містить 172 сторінки машинописного тексту, в тому числі 37 рисунків і 16 таблиць; 6 додатків на 16 сторінках; загальний обсяг роботи – 207 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, об’єкт і предмет роботи, відображена наукова новизна і основні результати, наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

В першому розділі виконаний аналіз літературних джерел з метою порівняльної оцінки властивостей, характеристик і способів видобутку вулканічних туфів різних родовищ в Україні і за її межами, з цеоліт-смектитовими породами Рівненсько-Волинського регіону, а також виконаний аналіз робіт, присвячених проблемам геотехнологічних методів видобутку туфів та інших корисних копалин, зокрема методу свердловинного гідровидобутку.

Виявлено, що найбільш придатними до гідровидобутку є туфи Рафалівського вузла, а саме їх цеоліт-смектитові різновиди з вмістом смектитових компонентів понад 50 %. Для даних різновидів породи пористість диспергованого туфового матеріалу сягає близько 30 %; набухання у воді – 36 %, а в присутності коогулянта – 62 %. Водопоглинання за масою складає близько 18 % і за об’ємом – 33 %.

Як показує досвід, видобуток корисних копалин на більшості родовищ туфів проводиться відкритим, кар’єрним способом в місцях, де туфи виходять на денну поверхню, або максимально наближені до неї. У деяких випадках розробка родовищ цеолітових туфів здійснюється на більших глибинах з діючих кар’єрів чи шахт по видобутку інших корисних копалин. Окрема ж розробка більш глибоких пластів не проводиться по причині утруднення і складності процесів видобування та низької рентабельності, хоча саме потужні пласти високоякісних туфових руд зустрічаються на глибинах понад 30 метрів. Досвід розробки родовищ вулканічних туфів з використанням свердловинної гідротехнології взагалі відсутній.

Необхідно відзначити, що найбільш вагомий внесок в розробку і вдосконалення геотехнологічних методів видобутку та технології очисного виймання внесли вчені: В.Ж. Аренс, М.І. Агошков, М.А. Дементьєв, В.І. Бондаренко, І.О. Садовенко, А.Ф. Булат, Б.А. Блюсс, Е.І. Чернєй, З.Р. Маланчук, В.Г. Перепелиця, С.Ф. Власов, Е.В. Семененко, О.М. Кузьменко.

Аналіз виконаних робіт свідчить про те, що питанням розробки технологій гідровидобутку займалося широке коло дослідників, але розходження умов залягання і складу корисних копалин визначають доцільність додаткових і більш детальних досліджень безпосередньо для родовищ цеоліт-смектитових туфів.

За результатами аналізу сформульовані задачі досліджень, розв’язання яких дозволило досягти мети дисертації.

В другому розділі вирішені задачі дослідження складу породи в районі проведення робіт; експериментально визначені особливості гідродинамічного процесу розмиву цеоліт-смектитових туфів, гідротранспортування гідросуміші та підйому пульпи на поверхню.

Визначення особливостей гідродинамічного процесу розмиву проводилося в натурних умовах на базальтовому кар’єрі с. Іванчі, де з піддослідної ділянки були видалені налягаючі породи для оголення корисної копалини. Згідно даним геологічних досліджень туфи залягають вище зони водонасичення, тому в дослідженнях розглядалися незатоплені гідромоніторні струмини середнього (1МПа...4МПа) тиску. В розрахунку взаємодії струмини з гірським масивом застосовувалася схема з одностороннім виходом, яка найбільш повно відповідає технології відпрацювання пласта як зверху вниз так і знизу вверх. При розрахунку визначалися: сила удару струмини Р0, питомий тиск струмини на перешкоду р0і, довжина початкової ділянки струмини lп, діаметр струмини dl на відстані l від насадки, середня швидкість струмини Vl на відстані l від насадки і теоретична дальність польоту струмини LТстр (без врахування аерації і опору повітря).

Розмив корисної копалини здійснювали пошарово при висоті уступу 1...35 см з переміщенням її струминою на граничну відстань, що дорівнює величині радіуса розмиву. Швидкість переміщення відбійної насадки гідромонітора у секторі вибою змінювалася від 0,3 до 2,4 м/с. Відбій і транспортування породи представляють єдиний процес і проводилися шляхом послідовної дії струмини на вибій, що постійно переміщувався.

Експериментом встановлено, що розмив туфів струминами більшого діаметра призводить до збільшення радіусів розмиву, а із збільшенням тиску робочого агента значно зростає продуктивність розмиву (рис 1).

Рис. 1. Залежність усередненої продуктивності розмиву туфів на відстані радіуса розмиву від діаметра насадки при різних значеннях тиску води: 1 – Н0 = 1 МПа, 2 – Н0 = 1,6 МПа, 3 – Н0 = 2,2 МПа.

Залежність радіуса розмиву і продуктивності від тиску робочого агента та діаметра насадки визначаються формулами:

.

.

Максимальна похибка при розрахунках параметрів гідророзмиву за встановленими формулами склала 12,3 %.

Швидкість обертання головки гідромонітора п визначалася при різних кутах повороту центральної відбійної насадки відносно осі головки і при різних значеннях напору води Н0 на вході в головку. Дослідженнями встановлена залежність швидкості обертання гідромоніторної головки від тиску при різних кутах повороту бічної насадки, що наведено на рисунку 2.

Рис. 2. Залежність швидкості обертання гідромоніторної головки від напору води при різних кутах повороту бічної насадки п=f(H0).

В ході експерименту з переміщення потоком частинок породи вивчався вплив окремих чинників на транспортувальну здатність потоку. Залежність транспортувальної здатності потоку від витрати, яка є одним з основних показників самопливного гідротранспортування, представлена на рисунку 3.

Із збільшенням витрати транспортувальна здатність потоку зростає, причому з постійним похилом – прямопропорційно.

В експерименті досліджений вплив падаючого потоку пульпи на транспортувальну здатність потоку (рис. 4).

Аналіз результатів досліджень показав, що початкова енергія падаючої пульпи при розмиві значно більша енергії того ж потоку при змиві корисного компоненту з похилого дна. Спадаюча на дно камери виймання пульпа інтенсифікує турбулентність потоку в привибійному просторі і тим самим знижує вірогідність осідання частинок, створюючи початкову швидкість падаючої частинки.

Рис. 3. Залежність транспортувальної здатності потоку від витрати гідромонітора при різному значенні похилу дна камери.

Рис. 4. Залежність втрат корисної копалини при її транспортуванні по дну виймальної камери від витрати води і похилу дна, для змиву породи та падіння пульпи і параметрів: п = 0,014; d = 4 мм; L = 7 м.

Представлені залежності апроксимуються наступним рівнянням:

Метою досліджень технології утворення виймальних камер на модельному стенді (рис. 5) було визначення найбільш ефективного способу руйнування і виймання породи та вибору методу проведення виймальних робіт. Модельний пласт представлений цеоліт-смектитовими туфами з базальтового кар’єру с. Іванчі, відібраними з глибини 15,2м. Покрівля і підошва пласта виготовлялася з прозорого скла для точного визначення форми і розмірів камери. Притискні накладки створювали можливість навантажувати пласт.

Рис. 5. Схема дослідження технології відпрацювання камер виймання:

1 – порода покрівлі; 2 – пласт цеоліт-смектитового туфу; 3 – підстеляюча порода; 4 – видобувна камера; 5 – ерліфт; 6 – форсунка ерліфта; 7 – всмоктувальний патрубок; 8 - повітрявідділювач тарільчатого типу; 9 – колона обсадних труб (свердловина); 10 – гідромонітор; 11 – гідросуміш.

Вивчалися три схеми відпрацювання камери: зустрічним вибоєм, попутним вибоєм і циркуляційним потоком. Найбільш ефективною виявилася схема з зустрічним вибоєм, при якій розмив відбувається за секторами і утворюються виймальні камери круглої форми.

В результаті проведення досліджень встановлено, що збільшення діаметра насадки і тиску води збільшують швидкість розмиву і підвищують ефективність відпрацювання камери виймання. При цьому виявлено, що технологія відпрацювання пласта шарами зверху вниз, для односвердловинної схеми видобутку, утворює сприятливі умови притоку гідросуміші до ерліфта.

Для розрахунку параметрів ерліфтного обладнання визначалися: вибійний тиск Рз, висота підйому продуктивного розчину hв (без врахування втрат на тертя), коефіцієнт о відносного заглиблення форсунки під динамічний рівень, пусковий тиск Рп, максимальна питома витрата повітря Rтах, максимальна Vтах витрата повітря і максимальна Qmax продуктивність ерліфта.

Розміри воронки всмоктування і висота наконечника від шару всмоктувальної породи (висота кільцевого зазору) при свердловинному гідровидобутку мають важливе значення і розраховувались за відомими формулами Б.Е. Фрідмана.

За результатами досліджень продуктивності ерліфта з кільцевою форсункою від витрати повітря на різних глибинах відбору пульпи (рис.6) встановлені оптимальні параметри розташування ерліфта у свердловині.

Рис. 6. Залежність продуктивності ерліфта з кільцевою форсункою від витрати повітря на різних глибинах відбору пульпи.

Залежність продуктивності ерліфта за кількістю гідросуміші від витрати повітря та густини гідросуміші апроксимується рівнянням:

,

при:

,

Експериментальним шляхом встановлено, що для умов свердловинного гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів доцільне застосування ерліфта з кільцевою форсункою та регульованим зачиненням щілини, а також системою змінних насадок.

У третьому розділі для підтвердження достовірності експериментальних і натурних досліджень проведені теоретичні дослідження процесу розмиву і руху пульпи по дну виймальної камери до всмоктувального патрубка ерліфта. За основу взяті теоретичні дані, розроблені професорами Маланчуком З.Р. Гомоном О.Г., Блюсом Б.О., Чернєй Є.І. Для досліджень використовувалася модель протікання однорідної рідини в тонкому шарі, з припущенням, що швидкість за товщиною шару однакова (рис. 7).

Рис. 7. Система координат і елемент потоку рідини.

Наявність сили тертя між рідиною і днищем враховувалася за допомогою емпіричних формул.

Для розрахунку вибраний елемент потоку рідини: АВСDАВCD.

В основі розрахунку лежить закон збереження маси:

,

або при V 0 (осесиметричне перетікання):

де - радіальна компонента швидкості;

- колова компонента швидкості;

- густина рідини.

При ; x = l – r, отримуємо:

, ,

де l – повна довжина утворюючої дна камери.

Закон розподілу тиску в шарі рідини: , де - лінійна координата в шарі рідини, що відраховується від основи по дузі радіуса r.

Для осесиметричного перетікання:

,

де.ф0 - величина дотичної напруги тертя на дні шару рідини.

Розрахункове рівняння імпульсів для нестаціонарного перетікання шару пульпи по конічній поверхні має вигляд:

, де.

Для математичної обробки результатів експериментів використовувались програмні пакети MatLab та Microsoft Exel. При співставленні експериментальних і теоретичних даних відносна похибка не перевищувала 14,2 %.

В четвертому розділі розроблені рекомендації з використання свердловинної гідротехнології в залежності від мінерального складу породи, та методика вибору параметрів процесів гідроруйнування і гідротранспортування цеоліт-смектитових туфів.

Встановлений зв'язок між граничним прольотом покрівлі та глибиною розробки:

Lпр=471·Н -0,76.

При цьому гранично можлива глибина формування ціликів з прямовисними стінками висотою Хц для активного розпирання:

.

Зміна механічних властивостей масиву в часі проведена через параметр середовища и=С/tgц, у формуванні якого беруть участь ц і C.

На цій підставі рекомендується до використання залежність, представлена параметром и від часу t:

иt = 110,5 – 19t.

Враховуючи залежність показника и порід від кута укосу стінок цілика і для забезпечення стійкості на необхідний час при певній глибині, рекомендується формувати кут укосу цілика із значенням:

.

На глибинах понад 50 м об'єми зміцнюючої призми можуть виявитися значними. В зв'язку з цим виймання корисної копалини пропонується, в межах контурів камери, проводити в декілька стадій із розбиттям потужності пласта породи на певну кількість відрізків з раціональною висотою. Запропонована технологія видобутку корисної копалини великої потужності пошарово знизу вверх.

Для розробки методики застосування СГВ цеоліт-смектитових туфів визначення показників повноти і якості видобутку проводилось для круглих виймальних камер і глибин розробки понад 50 м, що обумовлено умовами залягання родовища і технологією видобування для систем з круглими камерами.

ВИСНОВКИ

У дисертації, яка є завершеною науково-дослідною роботою, вирішена актуальна наукова задача, яка полягає у встановленні залежностей процесу розмиву цеоліт-смектитового туфу, самопливного гідротранспортування у видобувній камері та ерліфтного підйому пульпи на денну поверхню, які є необхідними для обґрунтування параметрів свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів, що забезпечить оптимальні режими роботи обладнання і всього видобувного комплексу та дозволить створити методики оцінки і аналізу процесу видобутку.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Порівняно з цеолітовими туфами інших родовищ Рівненські цеоліт-смектитові туфи характеризуються значно меншим вмістом цеолітової породи, яка замінена смектитовими мінералами. Це, при збереженні корисних сорбційних і катіонообмінних властивостей, покращує їх технологічні властивості з точки зору застосування свердловинної гідротехнології при видобуванні.

2. При збільшенні діаметра насадки і тиску води радіус розмиву збільшується а продуктивність зростає по експоненціальних законах. Залежності енергозатрат від розмірів насадки гідромонітора та тиску робочого агента мають квадратичний характер: із збільшенням тиску робочого агента перед насадкою енергоємність розмиву зростає, а питома витрата води знижується.

3. Доведено, що з метою запобігання утворенню врубу та підвищення ефективності видобування туфів, на відстанях до 6 м від насадки гідромонітора кут нахилу струмини до поверхні розмиву не повинен перевищувати 5...7?. При цьому швидкість руху струмини по вибою обмежується до 1,4 м/с, а висота вибою при розмиві через насадки діаметром 25...35 мм не повинна перевищувати 20 см.

4. Залежності транспортувальної здатності потоку від витрати води з насадки гідромонітора і похилу дна камери є лінійними. Збільшення коефіцієнта шорсткості дна виймальної камери призводить до збільшення різниці в швидкостях зрушення дрібних класів по відношенню до великих. Коли рівень пульпи в привибійному просторі камери був високим (явище спостерігалося при значенні похилу < 0,13), енергія падаючої частинки цим шаром гасилася і частинки, що осіли, не могли переміщатися. Іншими словами, на периферії виймальної камери необхідно підтримувати турбулентний рух і оптимальний за умовами зносу частинок рівень пульпи.

5. За результататми досліджень встанавлено, що для умов свердловинного гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів доцільне застосування ерліфта з кільцевою форсункою та регульованим зачиненням щілини, а також системою змінних насадок. Аналіз залежностей продуктивності ерліфта з кільцевою форсункою від витрати повітря показує, що при збільшенні густини гідросуміші до с = 1,35 т/м3 максимальна продуктивність ерліфта при відносних заглибленнях форсунки 0,6 і 0,8 зменшується в порівнянні з продуктивністю по воді і відповідно складає 62 і 73 %. Із збільшенням питомої ваги гідросуміші максимум продуктивності ерліфта настає при великих витратах стисненого повітря.

6. Доведено, що потрібна для підтримки порід покрівлі стійкість камерних виробок забезпечується пошаровим відпрацюванням корисної копалини в межах камери з одночасним формуванням міжкамерних ціликів на повну потужність, і зміцненням їх підтримуючою призмою з корисної копалини для глибин розробки більше 50 м. Виймання корисної копалини в потужних пластах пропонується, в межах контурів камери, проводити в декілька стадій із розбиттям потужності пласта породи на певну кількість відрізків з раціональною висотою.

7. Досліджені процеси і встановлені системи рівнянь для розрахунку динамічних моделей перетікання пульпи по дну виймальної камери. З досліджень видно, що параметри перетікання пульпи по дну виймальної камери визначаються режимом роботи і характеристиками гідромонітора.

8. Розроблені рекомендації з використання свердловинної гідротехнології в залежності від мінерального складу породи і умов залягання, та методика вибору параметрів процесу гідроруйнування і гідротранспортування породи на денну поверхню.

Загальний очікуваний економічний ефект складе більше 1 млн. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ

За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць. Основні результати викладені у наступних публікаціях:

1. З.Р. Маланчук, С.Р. Боблях, С.Є. Стець, М.О. Семенюк, О.С.Стадник. Вивченість та проблеми видобутку туфів Рівненщини // Зб. наук .пр. ”Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво”. - Рівне: НУВГП. - 2005. - Вип. № 30. - С. 257 - 262.

2. З.Р. Маланчук, Р.В. Жомирук, С.Є. Стець, В.П. Рачковський, Т.В. Гринюк Основні фізико-хімічні та технологічні властивості туфів Рівненщини // Зб. наук. пр. ”Геотехнічна механіка”. - Дніпропетровськ: ІГТМ НАНУ. - 2005. - Вип. № 59. - С. 106 - 114.

3. Маланчук З.Р., Стець С.Є., Мандзюк Р.В. Результати досліджень по визначенню основних показників видобутку туфів методом свердловинної гідротехнології // Зб. наук. пр. „Вісник Національного університету водного господарства та природокористування”. - Рівне: НУВГП. - Вип. № 4(32), Ч.1. - 2005. - С. 207 - 214.

4. З.Р. Маланчук, С.Є. Стець, С.Р. Боблях, Є.З. Маланчук. Особливості залягання та гідровидобутку туфу в Рівненсько-Волинському регіоні // Зб. наук. пр. „Вісник Криворізького технічного університету”. - Кривий Ріг: КТУ. - 2006. - Вип. № 3(13). - С. 35 - 39.

5. Стець С.Е., Експериментальне дослідження процесу гідророзмиву цеоліт-смектитових туфів // Зб. наук. пр. „Вісник Національного університету водного господарства та природокористування”. - Рівне: НУВГП. - Вип. № 4(36), Ч.1. - 2006. - С. 365 - 370.

6. Маланчук З.Р., Стець С.Є. Дослідження гідродинамічної моделі ерліфтного пристрою для свердловинного гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів // Зб. наук. пр. ”Геотехнічна механіка”. -Дніпропетровськ: ІГТМ НАНУ. -2006. -Вип. № 63. -С. 68 - 73.

7. Стець С.Е., Моделювання процесу гідротранспорту пульпи по дну виймальної камери // „Вісник Національного університету водного господарства та природокористування”. Зб. наук. пр. Вип. № 2 (38), Рівне. -2007. – С. 366 - 371.

8. Маланчук З.Р., Стець С.Є., Маланчук Є.З., Мельник В.С. Дослідження основних технологічних параметрів гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів Рівненщини // Зб. наук. пр. Вісник КТУ. -Кривий Ріг: КТУ. -2007. -Вип. № 16. –С .29 - 33.

9. З.Р.Маланчук, С.Р. Боблях, С.Є. Стець, В.П. Рачковський. Особливості складу та будови цеоліт-смектитових туфів в кар’єрах Рівненсько-Волинського регіону // Тези доповідей міжнародної промислової конференції ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, п. Славське, Карпати. - 2006. - С. 109 - 110.

10. Стець С.Є. Особливості використання і класифікація родовищ туфів за фізико-хімічними властивостями та мінералогічним складом. // Тези доповідей міжнародної промислової конференції ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, п. Славське, Карпати. - 2006. - С. 22 - 23.

11. З.Р. Маланчук, С.Р. Боблях, В.П. Рачковський, С.Є. Стець. Техніка та технологія свердловинної гідротехнології видобутку важких металів з техногенних розсипів // Сб. тр. ХІІІ междунар. науч. - техн. конф. в г.Севастополе. В 5 - ти томах. - Донецк: ДонНТУ, 2006. Т. 3 - С. 10 - 15.

12. З.Р. Маланчук, А.Д. Калько, С.Р. Боблях, Є.З. Маланчук, С.Є. Стець, В.П. Рачковський. Проблеми та перспективи застосування свердловинної гідротехнології для розвитку мінерально-сировинної бази Рівненсько-Волинського регіону // Тези доповідей міжнародної промислової конференції ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, п.Славське, Карпати. -2007. - С. 134 - 136.

13. Стець С.Є. Обгрунтування параметрів гідровидобутку цеоліт-смектитових туфів // Тези доповідей міжнародної промислової конференції ”Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”, п.Славське, Карпати. -2007. -С. 180 - 182.

14. Клепач М.І., Мельник В.С., Стець С.Є., Маланчук Є.З. Аналіз процесу управління гідромоніторним розмивом при свердловинному гідровидобутку корисних копалин // Тези доповідей 7–ї міжнародної науково-технічної конференції студентів і аспірантів „Автоматизація технологічних процесів. Пошук молодих”, Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2007, С. 125 - 128.

Внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві:

[1, 2] - проведений аналіз народногосподарського застосування туфів, встановлені типи мінералізації, проведений аналіз мінерального складу туфів; [3] – проведений техніко-економічний аналіз; [4] - описані особливості гідравлічного руйнування слабозв’язних туфів; [6, 8] – проводив і описував експеримент по підйому пульпи, проводив математичне моделювання процесу; [9] – досліджені особливості складу цеоліт-смектитових туфів; [11] – досліджені техногенні розсипи збагачувальних фабрик; [12] – проведено аналіз сировинної бази Рівненщини; [14] – визначав та досліджував параметри процесу розмиву.

АНОТАЦІЯ

Стець С.Є. Обгрунтування параметрів свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спецільністю 05.15. 02 – „Підземна розробка родовищ корисних копалин” Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007 р.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів та розробці рекомендацій по використанню свердловинного гідровидобутку.

Для обґрунтування параметрів свердловинної гідротехнології видобутку цеоліт-смектитових туфів проведені експериментальні та теоретичні дослідження процесів гідророзмиву породи, переміщення гірської маси та підйому гідросуміші на поверхню з використанням ерліфта.

За результатами стендових досліджень процесу переміщення породи в потоці, що утворюється на дні виймальної камери, встановлені залежності і закономірності, які зв’язують параметри потоку з характеристиками зруйнованої породи, а також властивостями і формою дна виймальної камери.

Розроблені рекомендації до розрахунку основних технологічних параметрів

СГВ, які враховують потреби раціонального використання мінеральних ресурсів, охорони природи та навколишнього середовища.

Ключові слова: цеоліт-смектитовий туф, свердловинна гідротехнологія, ерліфт, гідродинамічні процеси розмиву, гідравлічна крупність, гідротранспорт.

АННОТАЦИЯ

Стец С. Е. Обоснование параметров скважинной гидротехнологии добычи цеолит-смектитовых туфов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.15.02 – “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2007 г.

В диссертационной работе был осуществлен анализ состояния вопроса разработки месторождений цеолит-смектитовых туфов в Ривненско-Волынском регионе, которым установлено наличие значительных запасов этих полезных ископаемые с широким спектром хозяйственного применения, и в то же время отсутствие исследований, как по обустройству добычных работ, так и по разработке технологий добычи.

В результате комплексных исследований по определению свойств туфов и гидрогеологических условий залегания месторождения появился вопрос применения для добычи нетрадиционных геотехнологических методов, а именно метода скважинной гидродобычи. Поэтому последующие исследования были направлены на разработку методики проведения добычных работ с использованием скважинной гидротехнологии.

Проведенный анализ выполненных работ свидетельствует о том, что изучением вопросов, связанных с разработкой технологий гидродобычи полезных ископаемых занималось большое количество исследователей. Однако расхождение условий залегания и состава полезного ископаемого не позволило при исследованиях сделать универсальные количественные выводы. В связи с этим обобщающие количественные зависимости, которые определяют параметры технологии добычи полезного ископаемого, ограничиваются широким интервалом возможных решений.

Для обоснования параметров скважинной гидротехнологии добычи цеолит-смектитовых туфов проведены экспериментальные и теоретические исследования процессов гидроразмыва породы, доставки горной массы к всасывающему патрубку пульпоподъемного механизма и подъема гидросмеси на поверхность с использованием эрлифта.

Исследованные в натурных условиях процессы размыва туфа струей гидромонитора, свойства которой рассчитывались по известной методике для незатопленной струи, дали возможность установить зависимости между параметрами, которые характеризуют размыв породы и производительностью самого размыва.

По результатам стендовых исследований процесса перемещения породы в потоке, который образовывается на дне выемочной камеры, установлены зависимости и закономерности, которые связывают параметры потока с характеристиками разрушенной породы, а также свойствами и формой дна выемочной камеры.

Для подтверждения достоверности экспериментальных и натурных исследований проведены теоретические исследования процесса размыва и перемещения пульпы по дну выемочной камеры к всасывающему патрубку эрлифта. Для исследований использовалась модель протекания однородной жидкости в тонком слое, с предположением, что скорость по толщине слоя одинакова.

Для разработки методики применения скважинной гидродобычи цеолит-смектитовых туфов определение показателей полноты и качества добычи проводилось для круглых выемочных камер и глубин разработки свыше 50 м, что определено условиями залегания месторождения и технологией добычи для систем с круглыми камерами.

По результатам исследований метода скважинной гидродобычи туфов разработаны рекомендации по оптимизации отдельных элементов процесса добычи и внедрения скважинной гидротехнологии в разработку месторождения.

Разработаны рекомендации по расчету основных технологических параметров скважинной гидродобычи, которые учитывают потребности рационального использования энергетических и минеральных ресурсов, охраны природы и окружающей среды.

Отличительными чертами предложенных технических и технологических решений является: отсутствие рабочих в очистительных пространствах выемочных камер; сохранение ландшафта территории с соблюдением комплекса эколого-экономических требований, которые предъявляются к конкретному месторождению, внедрение которых в программу освоения минерально-сырьевых ресурсов Ривненской области даст значительный экономический эффект.

Ключевые слова: цеолит-смектитовый туф, метод гидродобычи, скважинная гидротехнология, эрлифт, гидродинамические процессы размыва, гидравлическая крупность, гидротранспорт.

ANNOTATION

Stets S. E. The Motivation of parameters of downhole hydrotechnology for zeolit-smektites tuffs booty. – The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical sciences on a speciality 05.15.02 - “The Underground development of minerals deposits”. National mountain university , Dnipropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to the motivation of parameters of downhole hydrotechnology for zeolit-smektites tuffs booty and development of recommendations on downhole hydrotechnology use.

The analysis of the executed works testifies that plenty of researchers were related to development of technologies hydrotechnology for zeolit-smektites tuffs booty.

However, theworks of scientists specify that complex researches, which include opening of methods of hydraulic test, systematization, classification of the systems of hydraulic test and developments, mechanism of losses formation and development of technological methods and facilities of radical increase of plenitude of coulisse on the basis of scientific methods were not executed in a necessary volume.

For the motivation of parameters of downhole hydrotechnology for zeolit-smektites tuffs booty have been conducted experimental studies and theoretical researches of hydrodynamical prosses of washing out, delivery and hydraulic hoisting.

The recommendations are developed on the calculation of basic technological parameters of downhole hydrotechnology which take into account the necessities of the rational use of mineral resources, guard of nature and environment.

The Distinctive features of the offered technical and technological solutions are: absence of attendants in working excavations of extraction; preservation of a surface with observance of a complex of ecological and economic requirements showed to a concrete deposit, which are introduced in the program of mastering of raw mineral-material resources of the Rivne area will give a considerable economic effect.

The Keywords: downhole hydrotechnology, airlift, hydrodynamical prosses of washing out, hydraulic size, hydraulic transport.