19.01.2021

Баланс рабочих и продуктивных флюидов


Соотношение между подачей в недра рабочих агентов и откачкой продуктов их взаимодействия с рудами — одно из основных условий, определяющих возможность загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод. Основными составляющими баланса являются: приход (рабочие агенты-подземные воды); расход (извлекаемые компоненты+отработанные рабочие агенты+полезный продукт+подземные воды). Проиллюстрируем составляющие баланса на конкретных примерах.
Баланс рабочих и продуктивных флюидов

Скважинная гидродобыча. Процесс изотермический, сжимаемостью воды можно пренебречь. Технологический процесс заключается в подаче энергетической воды в добычные камеры, где вода смешивается с рудой и в виде гидросмеси выдается на поверхность. На картах намыва происходит отстой, воду собирают и снова подают в гидромонитор (рис. 63).

Очевидно, что расходы подаваемой и откачиваемой воды Qв одинаковы, иначе неоткуда было бы взять воду для питания гидромонитора. Отсюда уравнение баланса будет иметь вид

где Qп — объемный расход песка; Qпода — компенсирующий приток подземных вод; Qи — испарение на карте намыва.

Таким образом, на участок для компенсации извлекаемых объемов твердого вещества должны поступать подземные воды с расходом, равным производительности добычного участка в объемном выражении, а также компенсирующие потерн воды на испарение.

Приток подземных вод к камерам вызовет понижение уровня подземных вод, величину которого для одиночкой камеры можно оценить по формуле Тейса, а для системы камер — по методу суперпозиции. Из баланса видно, что при оборотном водоснабжении СГД обеспечивается полная гарантия от загрязнения подземных вод, так как поток подземных вод всегда направлен в сторону добычного участка.

Проведенные на Кингисеппском участке СГД наблюдения показали, что химический состав подземных вод в процессе эксплуатации практически не изменяется, а уровень воды понижается на 1,5—2 м.

Подземное выщелачивание. При подземном выщелачивании урана (а попутно — молибдена и ванадия) полезные компоненты извлекают из растворов на ионообменных смолах. После этого в раствор добавляют необходимую дозу рабочих реагентов и снова направляют их в скважины. Баланс выглядит следующим образом:

где Qв — расход воды, Qреаг — расход рабочих реагентов, Qизвл — объем извлекаемых из недр веществ; Qпрод — дебит откачиваемых растворов; Qпозд — приток или отток подземных вод.

Необходимое количество концентрированной кислоты для укрепления раствора рассчитывается по формуле

где х — объем раствора до укрепления; т — концентрация кислоты, вес. %; n — концентрация раствора после укрепления. Техническая 75%-ная кислота имеет плотность 1,7 г/см3. Если для выщелачивания необходим 5%-ный раствор, то а=х/23,8. Ha 1 м3 растворителя требуется добавить около 40 л концентрированной кислоты, что составляет 4% по объему. Объем веществ, переходящих в недрах из твердого состояния в раствор, пропорционален количеству подаваемого рабочего агента. При кислотном выщелачивании подавляющая часть кислоты расходуется на реакцию с карбонатами, прежде всего кальцитом. В 40 л концентрированной кислоты содержится 50 кг H2SO4, которая прореагирует с 50 кг СаСО3. Плотность СаСО3 составляет 2,7 г/см3, т. е. объем растворенного вещества равен 19 дм3.

Дебит откачиваемых растворов равен расходу раствора до его укрепления по условию. Так как Qpeaг > Qизвл, уравнение баланса принимает вид

Это означает, что в недра все время поступает некоторый избыточный объем; в приведенном примере он составляет около 20 л на 1 м3 раствора.

Подземная выплавка серы. При выплавке серы теплоносителем в скважины подают воду температурой 160° С (плотность 0,9 г/см3); откачивают жидкую серу в количестве 1 т на каждые 15—20 м3 теплоносителя. Отработанный теплоноситель свободно изливается через опережающие скважины; температура воды на изливе в среднем составляет 40° С. Уравнение баланса имеет вид

где Qтепл — расход теплоносителя; Qceры — дебит серы; Qотр — дебит водоотлива; Qпозд — отток теплоносителя за контур отработки; Qраств — извлеченное вещество, растворенное теплоносителем; 1,1 — поправка на температуру.

Между составляющими баланса имеются следующие соотношения:

где q — удельный расход теплоносителя, составляющий 25—50 м3/м3.

где с — объемная концентрация растворимых в теплоносителе веществ, обычно близкая к 1 см3/л.

Используя эти соотношения получаем

Выражение, заключенное в скобки, близко к единице, поэтому можно принять, что

Соотношение между расходом изливающейся на поверхность воды Qотр и частью воды, уходящей к региональным областям разгрузки, определяется гипсометрическими высотами областей местной и региональной разгрузки и фильтрационными свойствами рудовмещающего водоносного горизонта.

При выплавке в электрическом поле теплоноситель в скважины не подается, т. е. к участку эксплуатации постоянно поступают подземные воды в объеме, равном объему откачиваемой серы.

При подземном растворении процесс обычно происходит в камерах, изолированных от водоносных горизонтов целиками соли или водоупорными породами, что предотвращает утечки рассолов. Нарушение по каким-либо причинам герметичности камер ведет к утечкам, поскольку напор рассолов обычно значительно превышает естественные напоры подземных вод. Величина напора в камере может быть определена как сумма массы столба рассола и потерь напора при восходящем движении рассола в трубах.

При подземной газификации угля в очаге горения поддерживается давление, большее давления подземных вод, что предотвращает поступление последних в газогенератор. В результате вокруг участка газификации распространяется ореол загрязненных специфическими веществами подземных вод. Характеристика состава и скорости распространения ореолов приводится в работе В.И. Кононова и др. Показано, что в области воздействия процесса ПГУ можно выделить зоны: а) циркуляции парогазовой смеси; б) аномально нагретых вод; в) подземных вод с естественной температурой, но аномальным химическим составом.

При поступлении подземных вод в зону высоких температур образуется пароводяная смесь, насыщающаяся углекислотой, сернистым газом, атомарным водородом. Большая часть пара уходит вместе с газами в газоотводящие скважины, а около 30% поступает во вмещающие породы. При этом формируются воды, содержащие в больших количествах гипосульфит, гидросульфит, аммоний, ионы железа, алюминия, редкие элементы. Площадь ореола таких вод обычно невелика; они распространяются всего на несколько десятков метров от газогенератора, где постепенно сменяются водами с естественной температурой, но обогащенными углекислотой и фенолами.

Если процесс ПГУ осуществляется с осушением, то распространение загрязненных вод ограничивается контуром водопонизительных скважин, но возникает проблема сброса откачиваемой воды.





Яндекс.Метрика