Расчет параметров геологического апробирования россыпных месторождений золота методом СГД с применением самоходной установки УГБ-900

 Назначение УГБ-900 при геологическом апробировании:

- бурение технологических скважин с одновременной обсадкой, отбор проб полезного ископаемого, апробирование продуктивных слоев методом СГД.
Серия буровых установок УГБ-900 монтируется:

• на гусеничную платформу. Привод гидросистемы установки осуществляется от дизельного двигателя.

• на колесное шасси.
  
  Технологии, способы бурения, решаемые задачи:
  - Вращательное шнековое бурение, в т.ч. полыми герметичными шнеками при сооружении разведочных и технологических скважин диаметром до 373 мм и глубиной до 30 м,

• Вращательное колонковое бурение с опережающей обсадкой под защитой колонны полых равнопроходных шнеков с традиционным пробоотборником диаметром 219 мм и объемом пробы 13.8 л;

• Ударно-вращательное бурение с погружными пневмоударниками диаметром до 650 мм, в т.ч. бурение с одновременной обсадкой;

• Обеспечение СГД-апробирования, спуско-подъемные операции с СГГС

Основные характеристики скважин

Сравнительные показатели использования различных видов буровых установок

1. Что такое метод СГД (скважинная гидродобыча)?

Скважинная гидродобыча (СГД) – это метод разведки, апробирования и добычи россыпных и осадочных полезных ископаемых (в т. ч. россыпного золота), при котором разрушение и транспортировка породы осуществляются с помощью гидромеханического воздействия через скважину с выработкой в продуктивном пласте добычной камеры.

В отличие от традиционного шурфования гидродобыча через скважины позволяет опробовать и отрабатывать россыпи без вскрытия карьеров или шахт. Отбираемая проба значительно превосходит пробы традиционного отбора при разведочном бурении, что ставит этот метод как один из самых показательных и точных.

2. Для чего применяется?

Основные цели:

• Разведка россыпей (определение мощности пластов, содержания золота).
• Опытно-промышленная добыча (особенно на труднодоступных, глубоких или обводнённых россыпях).
• Отбор проб с минимальными затратами на вскрышные работы.
• Отработка труднодоступных месторождений (под водой, в болотистой, горной местности).

3. Принцип работы метода СГД

1. Бурятся скважины до золотоносного пласта.
2. Под высоким давлением подаётся вода, размывающая породу.
3. Смесь (вода + порода + золото) в виде пульпы откачивается на поверхность.
4. Обезвоживание и обогащение материала с извлечением золота.

4. Оборудование для СГД

а) Буровое оборудование на базе буровой установки УГБ-900

• Установки вращательного бурения (для рыхлых пород).
• СГГС скважинный гидромониторно-гидроэлеваторный снаряд (совмещает размыв и извлечение золотосодержащей гидросмеси на поверхность).

б) Гидроразмывные системы

• Насосы высокого давления (3.5–12 МПа).
• Гидромониторы (направленные струи воды).
• Гидроэлеваторы (для подъёма пульпы).

в) Оборудование для обогащения

• Шлюзы, центрифуги, концентраторы (для улавливания золота).
• Отсадочные машины, промприборы (например, ПГШ, "Дерокер").

г) Вспомогательное оборудование

• Обезвоживающие установки (циклонные сепараторы).
• Системы рециркуляции воды (для минимизации расхода).
• Насосы подпитки воды из естественных водоемов.
• Усилители потока пульпы (при значительных глубинах апробирования)

5. Преимущества и недостатки

✔ Экономичность (меньше затрат на вскрышу и транспортировку).
✔ Возможность работы на обводнённых и труднодоступных россыпях.
✔ Меньшее воздействие на ландшафт по сравнению с карьерами.

✖ Зависимость от водообеспечения.
✖ Сложности с извлечением крупного золота (может теряться в скважине).
✖ Необходимость очистки оборотной воды (от глины, песка).

6. Где применяется?

• Глубокие россыпи (от 15 до 50–100 м).
• Подводные месторождения (речные и морские террасы).
• Россыпи в слабых породах (пески, галечники).

Вывод

Скважинная гидродобыча (СГД) – перспективный метод для разведки и добычи россыпного золота, особенно в сложных условиях. Она сочетает геологическое опробование и предварительную отработку, сокращая затраты на традиционные горные работы. Однако требует специализированного оборудования и контроля за процессом гидротранспорта.

Расчет системы гидромонитора и гидроэлеватора с общим насосом типа НБГ-50

Исходные данные:

• Общая производительность насоса: 35 м³/ч (на оба процесса)
• Давление насоса: 4.1 МПа
• Глубина апробирования: 30 м (как пример)
• Требуемая производительность по породе: ≥1 м³/ч (достаточно для выводов о содержании полезного ископаемого в слое)
• Диаметр скважины: 219 мм

1. Оптимизация распределения расхода

Принимаем распределение:

• Гидромонитор: 25 м³/ч (70%)
• Гидроэлеватор: 10 м³/ч (30%)

Обоснование:
Гидромонитор требует большего расхода для эффективного размыва, но часть воды должна работать на подъем пульпы.

2. Расчет гидромонитора (25 м³/ч)

2.1. Параметры сопла

• Расчетный расход: 25 м³/ч = 0.00694 м³/с
• Давление: 4.1 МПа (эквивалентный напор 418 м)

Диаметр сопла:

Скорость струи:

2.2. Проверка энергии размыва

• Мощность струи: 28.5 кВт
• Удельная мощность: ~14,250 кВт/м² (достаточно)

3. Расчет гидроэлеватора (10 м³/ч)

3.1. Параметры эжекции

• Расход рабочей воды: 10 м³/ч
• Коэффициент эжекции (K): 0.15 (для песчано-глинистых пород)
• Производительность по пульпе: 10 + (10×0.15) = 11.5 м³/ч

3.2. Геометрия элеватора

Диаметр горловины:

Принимаем стандартный диаметр 40 мм.

3.3. Проверка подъемной способности

• Требуемый напор: 30×1.15 = 34.5 м
• Доступный напор: 105 м (остаточное давление после гидромонитора ~1.0 МПа)

4. Гидравлическая увязка системы

4.1. Распределение давления

• Гидромонитор: 3.1 МПа (падение до 1.0 МПа на выходе)
• Гидроэлеватор: 1.0 МПа

4.2. Производительность системы

5. Рекомендации по эксплуатации

1. Регулировка расходов: Использовать регулировочные задвижки для балансировки системы.
2. Оптимизация: Возможна регулировка коэффициента эжекции до 0.2 для увеличения выхода породы.

Примечание: Реальная производительность может отличаться на 10-15% в зависимости от свойств породы.

Расчет диаметров водоподающих труб для гидромонитора и гидроэлеватора

Исходные данные:

1. Общий расход насоса: 35 м³/час
2. Распределение расхода:
   1. Гидромонитор: 25 м³/час (71%)
   2. Гидроэлеватор: 10 м³/час (29%)
3. Давление в системе: 4.1 МПа
4. Рекомендуемая скорость потока в трубах: 1.5-3 м/с (для воды под высоким давлением)

1. Расчет для гидромонитора (25 м³/час)

Формула расчета диаметра:

где:

• Q = 25 м3/час = 0.00694 м3/с
• v - скорость потока, принимаем 2.5 м/с (оптимально для высоконапорных систем)

Расчет:

Стандартные диаметры:

• 50 мм (DN50) - при скорости 3.54 м/с (допустимо, но высокие потери)
• 65 мм (DN65) - при скорости 2.09 м/с (оптимально)

Выбор: Труба DN65 (73 мм по наружному диаметру)

2. Расчет для гидроэлеватора (10 м³/час)

Параметры:

• Q = 10 м3/час = 0.00278 м3/с
• Принимаем v = 2.0 м/с (можно снизить до 1.5 м/с для уменьшения потерь)

Расчет:

Стандартные диаметры:

• 40 мм (DN40) - при скорости 2.21 м/с
• 50 мм (DN50) - при скорости 1.41 м/с (предпочтительнее для снижения потерь)

Выбор: Труба DN50 (57 мм по наружному диаметру)

3. Проверка потерь давления

Для гидромонитора (DN65, L=30 м):

• Коэффициент трения (чугун): ~0.025
• Потери на трение:

• С учетом местных сопротивлений (3-5 м): общие потери ≤ 5 м (0.05 МПа) - допустимо.

Для гидроэлеватора (DN50, L=30 м):

• При v = 1.41 м/с
• Общие потери с учетом местных сопротивлений: ≤ 3 м (0.03 МПа).

5. Итоговые параметры трубопроводов

5. Рекомендации

1. Материал труб: Стальные бесшовные (ГОСТ 8732-78) или напорные ПНД (для подвижных участков).
2. Запорная арматура: Шаровые краны DN65/DN50 с редукционными вставками.
3. Гибкие подводы: Использовать армированные рукава на участках с вибрацией.
4. Монтаж: Уклон 1-2° в сторону насоса для предотвращения завоздушивания.

Примечание: Фактические потери могут отличаться в зависимости от состояния труб и количества изгибов. Для точного расчета требуется гидравлический расчет конкретной трассы.

Расчет диаметра камеры смешения и пульповыдачной трубы гидроэлеватора

Исходные данные:

1. Расход рабочей воды: 10 м³/час (0.00278 м³/с)
2. Коэффициент эжекции (K): 0.15 (для песчано-глинистых пород)
3. Объемный расход пульпы:

Рекомендуемая скорость в камере смешения: 2–3 м/с

4. Рекомендуемая скорость в пульповыдачной трубе: 1.5–2 м/с (для предотвращения заиливания)

1. Расчет диаметра камеры смешения

Принимаем скорость в камере смешения vкм = 2.5 м/с

Стандартный диаметр: 40 мм (для обеспечения достаточного эжекционного эффекта).

2. Расчет диаметра пульповыдачной трубы

Принимаем скорость в трубе vпт = 1.7 м/с

Стандартные диаметры:

• 50 мм (DN50) – при скорости 1.63 м/с (оптимально)
• 65 мм (DN65) – при скорости 0.96 м/с (если есть риск засорения)

Выбор: DN50 (57×3.5 мм) – для обеспечения необходимой скорости транспортировки пульпы без заиливания.

3. Проверка условий работы

3.1. Для камеры смешения (⌀40 мм):

• Скорость воды: 2.5 м/с (достаточно для создания разрежения)
• Давление на входе: ~1.0 МПа (остаточное после гидромонитора)

3.2. Для пульповыдачной трубы (⌀50 мм):

• Скорость пульпы: 1.63 м/с (выше критической скорости осаждения частиц песка)
• Потери напора на 30 м вертикального подъема:

(Доступный напор: ~105 м, что достаточно)

5. Итоговые параметры

5. Рекомендации

1. Конструкция камеры смешения:
   1. Конфузорно-диффузорная форма с углом раскрытия 8–12°
   2. Длина камеры: 5–7 диаметров (200–300 мм)
2. Пульповыдачная труба:
   1. Уклон ≥3° в сторону слива для предотвращения заиливания
   2. Возможность разборки для очистки
3. Защита от абразива:
   1. Футеровка камеры смешения резиной или карбидом кремния

Примечание: Для точного подбора необходимо учитывать гранулометрический состав породы. При наличии глинистых фракций диаметр пульпопровода можно увеличить до DN65.

Расчет максимального расстояния размыва золотосодержащего слоя в целике

Исходные данные:

1. Диаметр насадки (d): 12 мм (0.012 м)
2. Скорость струи (v): 90 м/с (при напоре 418 м)
3. Давление на выходе: 4.1 МПа
4. Плотность воды (ρ): 1000 кг/м³
5. Тип породы: песчано-глинистая слабосцементированная
6. Критерий эффективного размыва: удельная мощность струи ≥ 5 кВт/м²

1. Физика процесса размыва

Эффективность размыва зависит от:

• Кинетической энергии струи на заданном расстоянии
• Распада струи в воде/воздухе
• Сопротивления породы (для рыхлых песков ~ 0.05–0.1 МПа)

2. Расчет зоны эффективного разрушения

2.1. Распад струи в воде

Струя теряет энергию из-за:

• Турбулентного смешения с окружающей средой
• Гидродинамического сопротивления

Эмпирическая формула для расстояния (L), где скорость падает до 50%:

где:

• k = 6–10 (коэффициент для воды)
• PпорРасчет параметров геологического апробирования россыпных месторождений золота методом СГД с применением самоходной установки УГБ-900 ≈ 0.1 МПа (сопротивление породы)

Расчет:

2.2. Проверка по удельному воздействию

Мощность струи на расстоянии L:

Площадь пятна контакта (при расширении струи на 5°):

Удельная мощность:

Это значительно выше минимально необходимых 5 кВт/м², значит, размыв возможен.

3. Практическое ограничение расстояния

• Оптимальное расстояние: 0.5–1.0 м (для сохранения КПД)
• Максимальное расстояние: 1.2–1.5 м (с падением эффективности на 30–50%)

Причины:

1. На расстоянии >1.5 м струя теряет когезию и рассеивается.
2. Частицы породы начинают экранировать забой.

4. Корректировка под условия скважины

• Диаметр скважины (219 мм): Позволяет разместить гидромонитор с вылетом до 1.5 м без касания стенок.
• Рекомендуемый режим:
  • Рабочее расстояние: 0.8–1.0 м
  • Угол наклона струи: 70–80° к плоскости забоя

4. Итоговые параметры

6. Рекомендации

1. Положение гидромонитора:
   1. Фиксировать на расстоянии 1 м от забоя с возможностью регулировки.
2. Контроль эффективности:
   1. Мониторить выход пульпы – если падает, уменьшить расстояние.
3. Защита от обратного заброса:
   1. Установить дефлектор для отвода размытой породы от оборудования путем придания уклона днища добычной камеры в сторону всаса гидроэлеватора

Вывод: Для данных условий максимальное расстояние размыва не должно превышать 1.5 м, оптимально – 1 м.

Расчет максимального объема размываемых в добычной камере и транспортируемых на поверхность золотовмещающих пород

Исходные данные:

1. Параметры гидромонитора:
   1. Диаметр сопла: 12 мм
   2. Расход воды: 25 м³/час
   3. Давление: 4.1 МПа
   4. Скорость струи: 90 м/с
   5. Эффективное расстояние размыва: 1 м
2. Параметры гидроэлеватора:
   1. Расход рабочей воды: 10 м³/час
   2. Коэффициент эжекции (K): 0.15–0.25 (для песчано-глинистых пород)
   3. Диаметр камеры смешения: 40 мм
   4. Диаметр пульпопровода: 50 мм
3. Характеристики породы:
   1. Плотность: 1800–2000 кг/м³ (влажные пески с глиной)
   2. Сопротивление размыву: 0.05–0.1 МПа

1. Расчет объема размыва гидромонитором

1.1. Теоретическая производительность размыва

Удельный расход воды на размыв 1 м³ породы:
Для рыхлых песчано-глинистых пород: 5–15 м³ воды/м³ породы.
Примем среднее значение 10 м³/м³.

Максимальный объем размыва:

1.2. Ограничения по геометрии забоя

• Площадь контакта струи (при диаметре пятна 0.16 м на расстоянии 1 м):

• Скорость размыва вглубь:
• Для песков с глиной: 0.5–1 м/час.
  Объемный размыв:

При интенсивном воздействии реальный размыв может достигать 1–2 м³/ч.

2. Расчет объема транспортировки гидроэлеватором

2.1. Производительность по пульпе

Коэффициент эжекции (K):
Для песчано-глинистых пород: 0.15–0.25.
Примем K = 0.2.

Объем пульпы:

Qпульпы = Qводы ⋅ (1+K) = 10⋅1.2 = 12 м3/ч

Содержание твердого в пульпе:

Vпороды = Qводы ⋅ K =10⋅0.2 = 2 м3/ч

2.2. Проверка по граничной скорости

Минимальная скорость для предотвращения заиливания в трубе ⌀50 мм:

Vmin = 1.5 м/с

Фактическая скорость:

3. Согласование параметров системы

• Размыв: 1–2.5 м³/ч (лимитируется гидромонитором)
• Транспортировка: до 2 м³/ч (лимитируется гидроэлеватором)

Итоговая производительность системы:

4. Факторы, снижающие производительность

1. Зависимость от плотности породы:
   1. Для плотных глин (K = 0.1) → 1 м³/ч
2. Потери напора в трубопроводе:
   1. При длине >30 м производительность падает на 10–15%
3. Засорение элеватора:
   1. Требуется периодическая промывка

4. Итоговая таблица параметров

6. Рекомендации для увеличения выхода

1. Оптимизация коэффициента эжекции:
   1. Регулировка зазора между соплом и камерой смешения
2. Повышение давления:
   1. Увеличение с 4.1 до 6 МПа даст прирост на 20–30%

Вывод: Система способна устойчиво выдавать 1.5–2 м³/ч золотоносных песков при корректной настройке. Для проектных расчетов следует принимать 1.8 м³/ч с поправкой на эксплуатационные потери.

Заключение о применении палубного насоса НБГ-50 на буро-добычной установке УГБ-900 для апробирования методом СГД

1. Соответствие параметров насоса требованиям СГД

Насос НБГ-50 (Россия) с производительностью 35 м³/ч и напором 4.1 МПа подходит для скважинной гидродобычи (СГД) россыпных месторождений золота, но с ограничениями:

• Давление (4.1 МПа):
  • Достаточно для работы гидромонитора (требуется 3.5–4.5 МПа).
  • Позволяет обеспечить гидроэлеватор остаточным давлением 1.0 МПа через редукционный клапан.
• Производительность (35 м³/ч):
  • Оптимальна для гидромонитора (25 м³/ч) и гидроэлеватора (10 м³/ч).
  • Обеспечивает выход породы 1.5–2 м³/ч (при коэффициенте эжекции 0.15–0.2).

2. Преимущества использования НБГ-50

• Надежность:
  • Предназначен для работы с абразивными средами (песчано-глинистые породы).
  • Усиленные материалы проточной части (чугун ЧХ28).
• Простота эксплуатации:
  • Совместим с стандартными трубопроводами DN65/DN50.
  • Не требует сложной автоматики.
• Энергоэффективность:
  • КПД до 72% в рабочем диапазоне.

3. Ограничения и риски

• Недостаточный запас по давлению:
  • При засорении гидроэлеватора или увеличении глубины апробирования >30 м давление может оказаться недостаточным.
• Абразивный износ:
  • Требуется ежесменный контроль состояния уплотнений и крыльчатки.
• Ручное регулирование:
  • Нет системы автоматической стабилизации давления – необходим операторский контроль.

4. Рекомендации по эксплуатации

1. Настройка системы:
   1. Гидромонитор: Сопло ⌀12 мм, скорость струи ~90 м/с.
   2. Гидроэлеватор: Камера смешения ⌀40 мм, пульпопровод ⌀50 мм.
2. Защита от износа:
   1. Использование футерованных труб в зоне высокого абразива.
3. Контроль параметров:
   1. Давление на выходе: не ниже 3.8 МПа.
   2. Температура воды: не выше +40°C.

5. Вывод

Насос НБГ-50 при 35 м³/ч и 4.1 МПа является достаточным для апробирования методом СГД на россыпях с:
✅ Глубиной до 30 м.
✅ Производительностью по породе 1.5–2 м³/ч.
✅ Содержанием твердого в пульпе до 5%.

Для сложных условий (глубина >40 м, плотные глины) рекомендуется:

• Насос с запасом давления (6–7 МПа).
• Двухпоточная система с раздельными насосами для гидромонитора и элеватора.

Итог: НБГ-50 – рабочее решение для СГД на малых и средних россыпях, но требует строгого соблюдения регламента эксплуатации.