способ получения и использования продуктов скважинной гидродобычи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения и использования продуктов скважинной гидродобычи, включающий бурение добычных скважин, гидромониторное разрушение массива горных пород в залежи полезного ископаемого, гидроподъем по скважине на дневную поверхность материала горных пород, гидротранспортирование материала горных пород и выдача его в виде вертикального веерообразного потока пульпы на карту намыва, улавливание из потока пульпы тяжелой рудосодержащей фракции, сток гидросмеси песка и глины по дренажному каналу в пруд-отстойник, осветление воды в пруде-отстойнике, возврат осветленной воды в оборотную схему водоснабжения добычных скважин, отличающийся тем, что после гравитационного разделения на карте намыва фракций горных пород турбулентный поток гидросмеси песка и глины по спиральной траектории со стоковой части карты намыва подается самотеком тангенциально в гидроциклон, где песок осаждается в зумпф-накопитель, откуда он откачивается насосом, а водоглиняная смесь подается самотеком в коагуляционную емкость, где под воздействием сил гравитации физического поля и химического реагента происходит ускоренное осаждение глины в зумпф-накопитель, откуда она откачивается насосом, а осветленная вода подается самотеком в оборотную схему водоснабжения добычных скважин, при этом выделенная фракция песка подается на забой добычных скважин в качестве абразивного компонента мониторной струи и используется для разупрочнения и дезинтеграции крепких горных пород, а выделенная фракция глины используется в бурении добычных скважин в составе буровых и тампонажных растворов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулентный поток гидросмеси песка и глины подается самотеком со стоковой части карты намыва в гидроциклон по траектории витка спирали Архимеда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулентный поток гидросмеси песка и глины подается самотеком со стоковой части карты намыва в гидроциклон по траектории витка логарифмической спирали.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве физического поля используют переменное электромагнитное поле, создаваемое в объеме водоглиняной смеси при воздействии ультразвука.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве химического реагента используют полиакриламид.

6. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее добычную скважину, транспортный пульпопровод, карту намыва, улавливатель тяжелой рудосодержащей фракции, систему транспортировки гидросмеси песка и глины, отличающееся тем, что система содержит гидроциклон и коагуляционную емкость, выполненные в земле, рядом с боковым бортом карты намыва, а стенка торцевого борта стоковой части карты намыва выполнена в форме раскрывающейся ветви спирали, центр которой совпадает с центром гидроциклона.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что стенка торцевого борта части карты намыва выполнена в форме раскрывающейся ветви спирали Архимеда.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что стенка торцевого борта стоковой части карты намыва выполнена в форме раскрывающейся ветви логарифмической спирали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разделению твердых материалов с помощью жидкостей, а именно к промывке гранулированных, порошкообразных или кусковых материалов с помощью гидравлических классификаторов, и может найти применение для первичного обогащения полезных ископаемых при скважинной гидродобыче (СГД).

Известны гравитационные способы обогащения твердых полезных ископаемых (см., например, В.Н. Шохин и др. Гравитационные методы обогащения. М.: Недра, 1980 г.; Горная энциклопедия, Том 2, стр.157-160. Изд-во «СЭ», 1986 г., и др.). Сущность указанных способов состоит в разделении минералов по плотности в поле силы тяжести или центробежных сил для отделения пустой породы и получения концентрата. При этом основными факторами разделения при гравитационном обогащении являются динамические и статические воздействия воды, суспензий или воздуха.

Среди гравитационных способов обогащения полезных ископаемых важное место занимает промывка (см., например, В.В. Троицкий. Промывка полезных ископаемых. М.: Недра, 1978 г.; Горная энциклопедия. Том 4, стр.254-255. Изд-во «СЭ», 1989 г., и др.). Промывка - это процесс гравитационного обогащения полезных ископаемых, основанный на удалении примесей, переводе примесей во взвешенное состояние воздействием потока воды и механизмов и отделении полученной массы от зернистого материала. Существует несколько способов промывки, в том числе посредством слива на лотках и желобах, грохочением, скруббированием и т.п. Промывка, а равным способом и другие гравитационные способы широко используются для обогащения руд черных, цветных, благородных и редких металлов, драгоценных камней, угля, строительных минералов и других полезных ископаемых.

Известен напорный гидравлический транспорт - технологический процесс перемещения твердых материалов, например дезинтегрированных горных пород и полезных ископаемых, песков и песчано-гравийных смесей и др. потоков воды (см., например, Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: 1980 г.; Горная энциклопедия. Том 2, стр.36-37. Изд-во «СЭ», 1986 г., и др.). Его сущность состоит в том, что гидросмесь, т.е. смесь воды и горных пород, транспортируется по трубопроводу при избыточном давлении, создаваемом насосным оборудованием. При этом поток гидросмеси в трубопроводе, как правило, носит турбулентный режим с тем, чтобы обеспечить одинаковую плотность и скорость перемещения потока гидросмеси по всему сечению трубопровода и тем самым избежать осаждения породы в донной части.

Существуют сочетанные способы гравитационного разделения твердых компонентов пульпы, в частности руды, песка и глины, с использованием дополнительного фактора действия - физического или химического.

В практике обогащения редкометальной руды на Забайкальском ГОКе применялись 2 схемы оборотного водоснабжения: внутреннего и внешнего.

При внутреннем водообороте руда после измельчения подвергалась двухстадийному гидроциклонированию для отмывки песковой фракции, проходила стадию сгущения в сгустителе П-30, с получением песков и слива, который направлялся во второй сгуститель П-30 для получения осветленной воды и отвальных шламов по схеме, изображенной на фиг.1.

Таким образом, на фабрике была разработана и внедрена схема осветления внутренних оборотных вод методом отстаивания с применением флокулянта полиакриламида (ПАА) - высокомолекулярного соединения с молекулярной массой 3·10⁶-10·10 ⁷ (неионогенный карбоцепной полимер).

ПАА растворяются в воде при температуре 70-80°С и тщательном перемешивании. В водных растворах ПАА постепенно гидролизуется до аммониевой соли полиакриловой кислоты.

Акриламид получают при взаимодействии натриевой соли акриловой кислоты с серной кислотой. Для получения ПАА его полимеризуют в присутствии инициаторов - органических перекисей или норсульфатов. Применяют ПАА в виде 0,05%-ного раствора. Сначала готовят 1%-ный, при температуре 60-80°С, который затем разбавляют до 0,05%-ного. На фабрике вначале применялся ПАА в виде гелеобразной массы с содержанием основного вещества в количестве 8%. Но применение его в такой форме вызывало большие трудности при растворении и требовало увеличения каскада растворных емкостей, что приводит к снижению эффективности его действия.

Появление гранулированного ПАА позволило устранить вышеуказанные недостатки, а также снизить эксплуатационные затраты на хранение, транспортировку и приготовление рабочих растворов, а также значительно улучшить санитарные условия на рабочих местах в отделении приготовления реагентов. Расход ПАА подбирался - в начале в лабораторных условиях и затем в промышленных. Как было установлено, он в значительной мере зависит от крупности и минерального состава взвесей в сливе 1-го сгустителя и колеблется в пределах 2,0-3,0 мг/м³. Оборотная очищенная вода применялась в технологическом процессе.

Внешний водооборот не предусматривал применение ПАА, и там применялись другие реагенты: сернокислое железо FeSO₄ и известь СаО. Оборотная вода, очищенная в хвостохранилище от механических взвесей в виду высокой концентрации различных реагентов в технологическом процессе не применялась, а использовалась в нетехнологических операциях - на уплотнении сальников насосов, транспортировании отвальных продуктов, охлаждении насосов. Реализованный способ обогащения руды, фрагментарно опубликован в специальной литературе:

Л.В. Милованов, Б.П. Краснов. Методы химической очистки сточных вод горнорудных предприятий цветной металлургии. Изд-во «Недра», 1967;

Водоснабжение и очистка сточных вод при разработке россыпных месторождений. М., «Недра», 1975. - Авт. В.В. Назаров, Ю.М. Чикин, В.Р. Личаев, А.П. Курылев;

Вовк Н.Е. Оборотное водоснабжение и подготовка хвостов к складированию. - М., «Недра», 1977;

Гидравлическое складирование хвостов обогащения: Справочник / В.И. Кибирев, Г.А. Райлян, Г.Т. Сазонов и др. - М.: «Недра», 1991.

При СГД руды в некоторых случаях возникает необходимость решения триединой задачи: первичного обогащения руды, извлечения попутных твердых компонентов и осветление оборотной и утилизированной воды. Обычно (В.Ж. Аренс и др., 1980; Ю.В. Либер, 1996; Е.Н. Левченко и др., 1996; Н.И. Бабичев и др., 1996) для этих целей проводят промывку руды и отстаивание оборотной воды в прудах-отстойниках. Известен «Способ обогащения твердых полезных ископаемых при скважинной гидродобыче » по патенту РФ № 2431527, который выбираем за прототип.

В способе-прототипе первичное обогащение твердых полезных ископаемых в условиях добычного полигона при скважинной гидродобыче происходит посредством гравитационного разделения дезинтегрированных полезных ископаемых и вмещающих горных пород в текучей жидкой среде - потоке пульпы, выдаваемой добычной скважиной на карту намыва. Способ включает создание в транспортном пульпопроводе напорного потока пульпы, которому придают в поперечном сечении удлиненную форму, вытянутую по вертикали, и ламинарное течение, затем по крутой баллистической траектории полета струи пульпы. В процессе падения на земную поверхность струю пульпы разделяют на несколько потоков, каждый из которых направляют на дальнейшую обработку, в частности дообогащение (тяжелая рудная фракция), складирование (средняя песковая фракция), утилизацию (легкая глинистая фракция), а жидкий компонент пульпы - воду, после пруда-отстойника - в оборотную систему добычного полигона.

Выполненные в 2006-2009 гг. Томской горнодобывающей компанией и Томской геологоразведочной экспедицией работы на Бакчарском проявлении железных руд, а также успешно осуществленный методом СГД отбор технологических проб рыхлой оолитовой железной руды, суммарной массой 1,7 тыс. тонн, на Полынянском и Бакчарском лицензионных участках, способствовали развитию способа-прототипа и его технической реализации. Особенности состава и свойств нерудных компонентов скважинной гидродобычи стимулировали поиск их полезного применения в процессе бурения добычных скважин и разрушения крепких массивов бакчарской железной руды.

По данным ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр» (г. Новокузнецк, 2009 г.) пересчет результатов химического анализа кернового материала объединенной пробы на нормативный минеральный состав показывает, что бакчарская руда состоит из гидрогетита - 35,01%, сидерита - 4,30%, кварца - 24,40%, хлорита железистого - 8,69%, глинистых минералов (гидрослюда-монтмориллонит, гидромусковит) - 20,30%, полевого шпата 5,45%, фосфатов - 0,93%. При этом кварц имеет размеры 0,1-0,4 мм и образует угловатые зерна молочно-белого и желтовато-коричневого цвета, а глинистая фракция образована преимущественно микрочешуйчатыми агрегатами размерами 0,1-0,4 мм в состав которых входят: смешанно-слойная гидрослюда-монтмориллонит, с примесью хлорита железистого, гидромусковита и полевого шпата.

Практически установлено (Особенности состава продуктов скважинной гидродобычи бакчарской железной руды / Авт.: В.И. Лунев, А.И. Усенко, И.Б. Бондарчук, O.K. Скрипко, И.М. Иванюк. - М: Горный информационно-аналитический бюллетень, № 3, 2009. - Деп. в Изд. МГГУ. - 9 стр.), что при СГД рыхлой части бакчарской оолитовой железной руды на карте намыва образуется песчаный материал с размерами частиц <0,2 мм, в объеме 25-35% от массы намытой руды и глинистая фракция в объеме не более 0,5-1,5% от массы руды.

Учитывая вышеизложенное была поставлена задача в условиях добычного полигона СГД вывести из состава намываемого на карту намыва массива среднюю песковую и легкую глинистую фракцию, извлекаемые при разрушении рыхлого слоя оолитовой железной руды, с последующим использованием песка и глины в качестве расходных рабочих материалов в процессе СГД.

Поставленная задача решена следующим образом. По способу-прототипу выдаваемая на карту намыва при СГД пульпа рыхлой руды разделяется в поле гравитации на рудную и песчано-глинистую фракции, последняя после гидроциклонирования и сгущения разделяется на песок и глину, которые используются в качестве расходного рабочего материала при бурении скважин и СГД крепкой руды.

ОПИСАНИЕ СПОСОБА

Предложенное техническое решение фактически содержит процедуру обогащения нерудной твердой части выдаваемой на карту намыва пульпы в полевых условиях полигона СГД.

Целесообразность такого обогащения возникла после обнаружения новых технологических свойств конкретных типов песка и глины, повышающих эффективность процесса СГД.

Так, остроугольная ромбовидная кристаллическая структура кварца и крепость его зерен придают песковой фракции, добываемой вместе с рыхлой оолитовой железной рудой, существенные абразивные свойства. Достаточно длительная практика эксплуатации стального внутрискважинного оборудования при СГД песков на территории Томской и Омской областей показала скорый износ деталей, взаимодействующих с движущейся пульпой (водопесковая струя режет металл). Это свойство кварцевого песка позволяет применить его для разрушения крепких целиков в залежах бакчарской железной руды.

Микрочешуйчатая смешанно-слойная гидрослюда-монтмориллонит позволяет получать коллоидную клееобразную глину - дорогостоящий бентонит, - используемый в буровых и тампонажных растворах с глиной (Ф.А. Чегодаев, З.З. Шарафутдинов, Р.З. Шарафутдинова. Буровые и тампонажные растворы. - СПб.: ООО НПО «Профессионал», 2007). Это позволяет обеспечивать местным материалом буровые работы на полигоне СГД (интервал глубин бурения скважин - 160-250 м).

Известный способ-прототип по патенту RU 2431527 усовершенствован следующим образом (см. фиг.2).

После гравитационного разделения на карте намыва фракций горных пород, турбулентный поток песко-глиняной гидросмеси с карты намыва подается самотеком тангенциально в гидроциклон. Закрученный поток за счет межструйных сил трения и трения о стенки гидроциклона становится ламинарным, происходит осаждение песковой фракции. Ламинарная глиняная гидросмесь самотеком подается в коагуляционную емкость, где под воздействием сил гравитации, физического поля (например, ультразвука) и/или химического реагента (например, поливинилакрида) происходит ускоренное осаждение глиняной фракции. Осветленная вода из коагуляционной емкости самотеком полается в оборотную схему водоснабжения добычной скважины. Осажденная в гидроциклоне песковая фракция подается насосом на место складирования и/или в состав пульпы, закачиваемой на забой добычной скважины, в качестве ее абразивного компонента в гидромониторной струе, где используется для разупрочнения и дезинтеграции крепкой горной породы. Осажденная в коагуляционной емкости глиняная фракция подается насосом на место складирования и/или на растворный узел, где используется для создания буровых и/или тампонажных растворов на глине, применяемых для бурения скважин на полигоне СГД.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Устройство-прототип по патенту RU 2431527 представляет собой гидротехническое сооружение в составе полигона СГД, содержащее транспортный пульпопровод с выданной щелевидной насадкой, направленной под углом ~ 45° к заданной поверхности; карту намыва с расположенной на ней классификатором по простиранию падения струи пульпы, который улавливает тяжелую, рудосодержащую фракцию твердого в пульпе; дренажный канал, соединяющий стоковую часть карты намыва с прудом-отстойником, где оборотная вода осветляется путем осаждения песчано-глиняной фракции пульпы.

Поставлена задача усовершенствовать конструкцию гидротехнического сооружения, приспособив его для селективного извлечения обогащенных песковой и глиняной фракций, с учетом их полезного применения в процессе СГД.

Сформулированная задача решена следующим образом. Торцевой борт стоковой части карты намыва выполняется в форме раскрывающейся ветви спирали, центр которой совпадает с центром гидроциклона, сооружаемого рядом с боковым бортом стоковой части карты намыва на месте начала дренажного канала. На месте оставшейся части дренажного канала сооружается коагуляционная емкость с поперечным сечением в форме усеченного треугольника. Нижние узкие части гидроциклона и коагуляционной емкости оборудованы зумпфами-накопителями осаждаемого материала, песка - в гидроциклоне и глины - в коагуляционной емкости, в которые помещаются погружные части грунтозаборных насосов. Все конструктивные изменения гидротехнического сооружения выполняются посредством земляных работ, при этом созданные гидротранспортные поверхности карты намыва, гидроциклона и коагуляционной емкости покрываются водонепроницаемым геотехнологическим материалом, а по ходу транспортировки гидросмеси создается искусственный уклон, обеспечивающий самотечное движение от классификатора до слива в водооборотную систему.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг.3 показана конструкция устройства гидротехнического сооружения (вид в плане);

на фиг.4 - конструкция устройства гидротехнического сооружения (вид с боку).

В состав гидротехнического сооружения входят: добычная скважина 1; транспортный пульпопровод 2; классификатор 3, улавливающий тяжелую рудосодержащую фракцию; карту намыва руды 4, с боковыми болтами 5 и спиралеобразным стоковым бортом 6 и питающим стоковым каналом 7; гидроциклоном 8 со сливом 9; физический и/или химический коагуляторы 10; коагуляционную емкость 11 со сливом 12 и накопительную емкость водооборотной системы 13.

Изобретение работает следующим образом.

Пульпа, выдаваемая из добычной скважины 1, по транспортному пульпопроводу 2 под напором и углом, около 45° к земной поверхности изливается веерообразно на карту намыва 4, при этом классификатор 3 улавливает наиболее тяжелую рудосодержащую фракцию, а гидросмесь песка и глины изливается на стоковую часть карты намыва 4, где направляемая боковыми бортами 5 попадает на спиралеобразную торцевую стенку 6, которая закручивая поток самотеком подает его по питающему стоковому каналу 7 в гидроциклон 8. В гидроциклоне 8 песок осаждается в зумпф-накопитель, откуда откачивается насосом, а водоглиняная смесь через верхний слив 9 самотеком подается в коагуляционную емкость 11. В коагуляционной емкости 11 происходит ускоренная коагуляция глиняных частиц под воздействием коагулятора 10 (ультразвуковое прозвучивание и/или обработка химическим реагентом, например полиакриламидом) и агрегатированные глиняные частицы под действием сил гравитации осаждаются в зумпф-накопитель, откуда откачиваются насосом, а осветленная вода через верхний слив 12 самотеком подается в накопительную емкость водооборотной системы 13. Угол уклона для обеспечения устойчивого самотечного движения гидросмеси должен быть равным нескольким градусам - это определяется свойствами состава гидросмеси, шероховатостью поверхностей и необходимым уровнем напора на входе в гидроциклон.

Геометрические параметры спиралеобразной торцевой стенки стоковой части карты намыва гидроциклона и коагуляционной емкости определяются условиями скважинной гидродобычи, напором и составом пульпы, выдаваемой на карту намыва, свойствами гидросмеси песка и глины, условиями погоды и сезоном года. Но, исходя из опыта СГД бакчарской железной руды, могут быть сформулированы следующие общие рекомендации.

При коротком вылете струи пульпы из транспортного пульпопровода (малый напор или «густая» пульпа - Т:Ж=1:(5÷10) целесообразно торцевой стенке стоковой части карты намыва придавать форму витка спирали Архимеда.

При длинном вылете струи пульпы из транспортного пульпопровода (большой напор или «жидкая» пульпа - Т:Ж=1:20÷100 желательно выполнять торцевую стенку стоковой части карты намыва в форме витка логарифмической спирали.

Диаметр, высоту и угол раскрыва конусной части гидроциклона необходимо выбирать исходя из производительности скважины по гидросмеси песка и глины (например, по известной формуле В.И. Шохина и А.Г. Лопатина).

Объем коагуляционной емкости оценивают исходя из соотношений весов песковой и глиняной фракций в гидросмеси, эффективности коагулятора и производительности слива водоглиняной смеси из гидроциклона. Практически этот объем должен быть в 10-20 раз больше объема гидроциклона (около 100 куб. м).

Следует отметить, что вослед способу и реализующего его устройству по патенту RU 2431527, предполагается использовать предложенные изобретения при освоении лицензионных участков Бакчарского железорудного месторождения в Томской области.

Технический результат изобретения - обогащение нерудных полезных ископаемых и их использование на добычном полигоне при разработке месторождений способом СГД.