Физико-химические свойства массивов горных пород
В геотехнологии неприемлемо рассмотрение отдельно взятых горных пород. Необходимо исследовать массив горных пород, представляющий собой гетерогенную систему, включающую различные компоненты в твёрдой, жидкой и газообразной фазах. Исследование массива горных пород заключается в изучении состояния (положение залежи, мощность, обводнённость, условия питания и разгрузки), состава (минеральный, химический, гранулометрический, состав рН пластовых вод), строения (структура и текстура руд, пористость и трещиноватость, неоднородность в разрезе и плане) и свойств (фильтрационные — проницаемость, водопроводимость; размываемость, вязкость, пластичность, размокаемость, влагоёмкость и т.д.).
Вопросы состояния, состава и строения массивов горных пород изучаются в курсе геологических дисциплин. Частично уже изучены и свойства массивов в курсе «Физика горных пород». Ниже рассмотрены только специфические свойства массивов, важные при геотехнологии.

Гидравлические свойства массива горных пород
Гидравлические свойства массива горных пород имеют наибольшее значение для геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основной группой гидравлических свойств являются фильтрационные. Их иногда называют коллекторскими. В первую очередь фильтрационные свойства зависят от пористости, т.е. совокупности всех пустот в горных породах, заключенных между минеральными частицами или их агрегатами.
Общая пористость — отношение объёма пустот и пор к объёму горной породы.
Отношение объёма пор к объёму минерального скелета породы называется коэффициентом пористости.
По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм). Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы.
Динамическая пористость учитывает только те поры, по которым может фильтроваться жидкость, иногда её ещё называют открытой (эффективной) пористостью.
Площадь поверхности, образуемая стенками пустот и пор, является одной из важнейших геотехнологических характеристик горной породы — проницаемостью.
Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости  и коэффициентом фильтрации, которые связаны между собой соотношением [2]:
КФ = 
Кф — коэффициент фильтрации, м/с;
Кпр — коэффициент проницаемости, м2;
рж— плотность жидкости, кг/м3;
 μ   — вязкость жидкости, Па-с.
Для целей геотехнологии проницаемость горных пород следует определять в натурных условиях, т.к. только при этом можно учесть всю гамму влияющих факторов.
Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.
Абсолютная проницаемость характеризует пропускную способность образца для воздуха при атмосферном давлении и вычисляется по линейному закону фильтрации.
Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует пропускную способность для различных жидкостей.
Относительная проницаемость — отношение эффективной проницаемости к абсолютной.
Практической единицей измерения проницаемости является дарси  (Д) — величина проницаемости, присущая образцу породы площадью 1 см2, длиной 1 см, через кото- I рый при давлении 9,8-104 Па проходит в 1 с 1 см3 жидкости вязкостью 10 3Па∙с. При этом 1Д = 1,02-10 -12 м2. 
В практике горного производства широкое распространение получил другой параметр — коэффициент фильтрации Кф. Практически он представляет собой скорость фильтрации газа или жидкости через породы. Коэффициент фильтрации не учитывает влияние напора пластовых вод и их вязкости на изменение количества фильтрующейся воды. В случае фильтрации воды между коэффициентами пористости и фильтрации существует соотношение: 1 Д = 1см/с = 864 м/сут.
В зависимости от значения коэффициента фильтрации породы подразделяются на водоупорные (Кф<0,1 м/сут), слабопроницаемые  (0,1< Кф<10), среднепроницаемые (10< Кф<500) и легкопроницаемые (Кф >500).
В горных породах различают проницаемость межгранулярную и трещинную, причём последняя значительно выше. Для осадочных пород трещинная проницаемость со- ставляет (1,5-4,0)-10 -14 м2, а межгранулярная — до 10-16
Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся:

■	водоотдача — способность горных пород отдавать воду путём свободного вытекания;
■	влагоёмкость — способность горных пород вмещать и удерживать воду;
■	водоустойчивость — способность горных пород сохранять связность, консистенцию и прочность при взаимодействии с водой;
■	капиллярность — способность горных пород поднимать влагу по порам под воздействием капиллярных сил;
■	набухание — способность горной породы увеличивать объём под воздействием влаги;
■	усадка — способность горной породы уменьшать объём при высыхании;
■	просадочностъ — способность горной породы уменьшать объём при замачивании;
■	смачиваемость — способность горной породы входить в молекулярное взаимодействие с жидкостями;
■	адсорбция — способность горной породы концентрировать на своей поверхности различные вещества из газов, паров и жидкостей;
■	абсорбция — способность горной породы поглощать пары, газы и жидкости;
■	липкость — способность горной породы прилипать к различным предметам

Тепловые свойства горных пород
Тепловые свойства лежат в основе геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых, использующих для перевода их в подвижное состояние нагревание до определённой температуры.
Способность горных пород к фазовым превращениям подразделяется на плавление, испарение, сублимацию, кристаллизацию и конденсацию.
Плавление — способность полезного ископаемого переходить в жидкое состояние при нагревании. Оно характеризуется температурой плавления и удельной теплотой плавления. Под температурой плавления понимается температурный интервал, определяющий температуру начала плавления горной массы и полного перехода её в жидкое состояние. Удельная теплота плавления — количество тепла, необходимого для плавления единицы горной массы.
Испарение (парообразование) — способность полезного ископаемого переходить из твёрдой или жидкой фазы в газообразную. Оно оценивается количественно — теплотой испарения, — количеством тепла, необходимого для преодоления сил связи между молекулами и их «отрыва» с поверхности.
Сублимация — способность полезного ископаемого переходить из твёрдого состояния в газообразное. Количественно она оценивается теплотой сублимации.
Кристаллизация — способность полезного ископаемого к образованию и росту кристаллов из расплавов, растворов или газов. Она возникает в результате нарушения равновесия исходной фазы (пресыщение или переохлаждение). В количественном отношении она характеризуется степенью кристаллизации и температурой кристаллизации. Степень кристаллизации — количество вещества, выделившегося в твёрдую фазу из раствора или расплава. Температура кристаплизации — температура, соответствующая началу образования твёрдой фазы.
Конденсация — способность полезного ископаемого переходить из газообразного в твёрдое или жидкое состояние.
При расчёте технологических параметров геотехнологических методов, основанных на нагреве полезного ископаемого, также используются следующие тепловые свойства массивов горных пород: теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение или сжатие.
Теплопроводность — способность горной породы передавать тепловую энергию при возникновении разности температур. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности и коэффициентом конвекции.
Теплоёмкость - способность горной породы повышать своё теплосодержание при повышении температуры. Она характеризуется удельной, средней и истинной теплоемкостью, а также коэффициентом темперотуропроводности.
Тепловое расширение или сжатие — способность горной породы изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Оно характеризуется коэффициентами объёмного и линейного расширения.

Электромагнитные и радиационные свойства
массива горных пород
При наложении на массив горных пород электрических, магнитных или радиационных полей в ряде случаев достигается интенсификация химических и физических процессов геотехнологии. В отдельных случаях удаётся даже привести полезное ископаемое в подвижное состояние ними воздействиями. Широко используются эти методы воздействия при разведке месторождений, для контроля за методом геотехнологических процессов, при предварительной переработке добытого полезного ископаемого.
К электрическим свойствам относятся: электропроводность, электрическая прочность, поляризация.
Электропроводность характеризуется количественно удельной электропроводностью или удельным электрическим сопротивлением и коэффициентом электрической анизотропии.
Электрическая прочность — способность горной породы сопротивляться разрушающему действию электрического напряжения. Количественно она измеряется пробивным напряжением.
Поляризация — способность горной породы взаимодействовать с окружающим электрическим полем. Она оценивается относительной диэлектрической проницаемостью и углом диэлектрических потерь.
К магнитным свойствам горных пород относятся: магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность.
Магнитная восприимчивость — свойство горных пород намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля.
Остаточная намагниченность — способность горной породы сохранять намагниченность.
К радиационным свойствам горных пород относятся: естественная радиоактивность и способность поглощать α,β,γ нейтронное излучение.
Естественная радиоактивность — способность горной породы создавать радиоактивное излучение.
Некоторые механические и акустические свойства
 массива горным пород
При геотехнологических способах разработки месторождений полезных ископаемых необходимо учитывать и использовать некоторые специфические механические а также акустические свойства массива горных пород.
К этим специфическим механическим свойствам относятся: тиксотропность, прочность, твёрдость, вязкость разрушения, упругость, пластичность, компрессионная способность, хрупкость.
Тиксотропность — способность горных пород, содержащих коллоидные фракции, под воздействием динамических нагрузок к обратимым переходам из твёрдого состояния в жидкое. Тиксотропность зависит от вида воздействия, его интенсивности и длительности.
Показателями способности горной породы к разрушению являются чувствительность и предел структурной прочности.
Прочность — способность горной породы сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил. Она характеризуется количественно: пределом прочности при одноосном сжатии или растяжении, сопротивлением срезу, пределом прочности при изгибе, коэффициентом крепости.
Твёрдость — способность горной породы оказывать сопротивление локальному воздействию. Количест-венно она характеризуется показателем статической и динамической твёрдости.
Вязкость разрушения — способность горной пород сопротивляться развитию в ней трещин.
Упругость — способность горной породы восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Количественно она характеризуется модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, модулем сдвига, коэффициентом всестороннего сжатия.

Компрессионная способность — способность горной породы сжиматься при вертикальной нагрузке и невозможности бокового расширения. Она характеризуется количественно: коэффициентами уплотнения и консолидации, модулями осадки и полной деформации.
Хрупкость — способность горной породы к внезапному разрушению при нагрузке без заметных пластических деформаций. Она количественно характеризуется коэффициентом хрупкости.
Акустические свойства используются и учитываются при разрушении массивов ультразвуковыми волнами, также при геофизических методах контроля. Они оцениваются акустической проводимостью и поглощением.

Физико-химические основы геотехнологических процессов

В основе геотехнологических способов лежат физические и химические процессы. Физические процессы сопровождаются изменением формы, внешнего вида и физических свойств полезного ископаемого. Химические пpoцессы сопровождаются изменением химического состава химических свойств полезного ископаемого.
Каждый геотехнологический способ включает не один, а несколько различных процессов, одни из которых являются основными, другие — вспомогательными, третьи — обеспечивающими.
К основным процессам относятся процессы, связанные с добычей полезных ископаемых. Например, процессы перевода полезного ископаемого в подвижное состояние,
доставки рабочих агентов в добычное поле, выдачи продуктивных флюидов на поверхность.
К обеспечивающим процессам относятся процессы, дающие возможность выполнять добычные процессы. К ним относятся: процессы вскрытия и подготовки месторождения, приготовления рабочих агентов, переработки продуктивных флюидов, контроля и управления параметрами добычи, качества и др.
К вспомогательным процессам относятся: энергоснабжение, ремонт добычного оборудования, геолого-маркшейдерское обслуживание добычных работ и т.д.

Основы процессов растворения и
выщелачивания полезных ископаемых
С помощью различных растворителей можно переводить в подвижное состояние многие полезные ископаемые. Такой перевод происходит в результате процессов растворения и выщелачивания, которые различаются механизмом взаимодействия растворителя и полезного ископаемого.
Растворение протекает в результате диффузии и межмолекулярного взаимодействия без нарушения химического состава полезного ископаемого. Процесс растворения лежит в основе скважинной добычи растворимых в воде солей: галита, сильвина, бишофита и др.
Выщелачивание сопровождается изменением полезного ископаемого как химического соединения и переводом его в раствор. Способом выщелачивания ведётся извлечение из руд металлов, их солей и окислов.
В качестве выщелачивающих агентов используют кислоты и водные растворы солей.
Процесс растворения — гетерогенная реакция, происходящая на границе раздела двух сред: твёрдой и жидкой. Она включает:
■	поступление растворителя к поверхности растворяемого вещества;
и   взаимодействие растворителя и растворяемого вещества (межфазные процессы);
■	удаление растворённого вещества от поверхности растворяемого вещества (диффузионный процесс);
Скорость диффузионного процесса растворения определяется разностью концентраций растворяемого вещества на контакте между пограничным слоем насыщенного рассола и общей массой растворителя. По мере насыщения раствора скорость растворения уменьшается по логарифмическому закону.
Различают.
■	массовую скорость растворения - количество соли, растворяемое в единицу времени с единицы поверхности;
■	линейную скорость растворения - расстояние, на которое распространяется растворение в единицу времени.
Скорость растворения зависит от угла наклона поверхности растворяемого вещества и температуры растворителя. В то же время она мало зависит от давления.
Особенно сложен процесс, когда имеем дело с растворением одновременно нескольких веществ, например, сильвинита, состоящего из хлористого калия (сильвина) и хлористого натрия (галита).
Кристаллизация соли — процесс, обратный растворению. Она наступает, когда раствор при данной температуре пресыщен и происходит вследствие испарения части растворителя или понижения температуры насыщенного раствора. Скорость кристаллизации зависит от присутствия в растворе зародышей кристаллов, быстроты охлаждения раствора, перемешивания, высокой начальной температуры, чистоты раствора.
Природа растворения солей очень сложна, ещё больше её осложняет наличие нерастворимых компонентов.
Процесс выщелачивания более сложен, чем процесс растворения. Он описывается сложными дифференциальными уравнениями с учётом влияния формы, размеров и полисперстности частиц, длины слоя, концентрации растворителя, гидродинамики движения жидкости.
Методы химического извлечения минералов, основанные на выщелачивании, предусматривают обычно селективное извлечение полезного компонента.
Механизм процесса выщелачивания определяется структурой и составом растворяемого минерала, характером химической связи в его кристаллической решётке, комплексом физико-химических свойств растворителя. В основе выщелачивания могут лежать:
■	обменные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт обмена ионами (взаимодействие окислов и солей металлов с кислотами);
■	окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит образование легкорастворимых соединений за счёт передачи электронов от атомов выщелачивающего агента к атомам минерала и на оборот; вещества, отдающие электроны, называются восстановителями, а принимающие - окислителями; и  реакции с образованием комплексных соединении. 
Часто процессы выщелачивания сопровождаются осаждением ценных компонентов или образованием плотных плёночных покрытий на поверхности растворения.
Выщелачивание является основной операцией при извлечении урана на месте залегания руды, так как содержание полезного компонента в них ничтожно мало. Оно определяет величину извлечения и стоимость конечной продукта. Несмотря на многообразие типов месторождений, руд и минералов, содержащих уран, для извлечение его обычно используют водные растворы минеральных кислот или солей карбонатов щелочных металлов.
При подземном выщелачивании к растворите предъявляются следующие требования:
■	обеспечение относительно полного перевода полезного компонента в раствор;
■	низкая стоимость реагента и его наличие в народном хозяйстве;
■	селективность в процессе выщелачивания;
■	обеспечение коррозионной стойкости применяемой аппаратуры и материалов;
■	исключение условий, приводящих к засорению пор и капилляров в выщелачиваемой рудной массе снижающих проницаемость массива;
■	возможность осуществления процесса без нагрева, дополнительного измельчения, перемешивания т.п. («мягкие» условия) [5].
Наиболее дешёвым растворителем для выщелачивания является серная кислота. 
Для интенсификации процесса при подземном выщелачивании некоторых руд в растворитель добавляете окислитель. В качестве последнего могут быть использованы кислород, перманганаты, перекись водорода, азотсодержащие окислители и др.
Процесс выщелачивания включает три основные стадии:
■	транспортировку растворителя к поверхности выщелачиваемых минералов;
■	химическую реакцию с образованием растворимых солей;
■	транспорт растворённых продуктов реакции в объём раствора.
В процессе выщелачивания происходит снижение проницаемости массива. Это явление называется кольматацией. Выделяют следующие формы кольматации:
■	химическую, связанную с образованием в порах химических осадков;
■	газовую, обусловленную образованием газообразных продуктов в пласте в результате взаимодействия кислоты с карбонатными составляющими пород;
■	ионообменную, связанную с изменением размера пор в присутствии органического вещества и глинистых частиц в проницаемых породах под действием изменения рН и минерализации фильтрующихся растворов;
■	механическую, вызываемую закупоркой поровых каналов пород механическими взвесями или частицами, содержащимися в фильтрующихся растворах.
При отработке месторождения способом подземного выщелачивания обычно одновременно возникают и сосуществуют несколько форм кольматации.
Переведённый в раствор полезный компонент не полностью извлекается в процессе отработки. Часть его поглощается безрудными породами. Это негативный процесс,
определяющий одно из слагаемых потерь полезного ископаемого в недрах.
На практике поглощение растворённого полезного компонента осуществляется покрывающими и подстилающими породами, а также слабопроницаемыми безрудными прослоями рудовмещающего горизонта. Потери за счёт поглощения в первый период выщелачивания могут доходит до 20-30 % относительно общего объёма выщелачиваемое компонента. Однако впоследствии благодаря постоянно фильтрации по проницаемому слою растворителя эти поте ри могут быть снижены до 5-6 %.
По характеру проникновения внутрь куска руды растворители делятся на три типа:
руды, в которых растворитель просачивается более или менее одновременно и постоянно со все сторон;
■	руды, в которых растворитель проникает сначала по трещинам и плоскостям слоистости, т.е. по основным каналам, а затем из них поступает в мельчайшие поры и капилляры;
■	руды, которые при обработке растворителем разрушаются.
Пористость рудных монолитов обычно во много р ниже пористости глин (эффективная пористость скальных руд обычно 0,5-3,0 %), однако размеры пор и капилляров куске выше, чем в глинистых породах.

Термические и термохимические методы
воздействия на массив горных пород
Термическое воздействие на горные породы изменяет агрегатное состояние вещества в форму, удобную для доставки к скважине и на поверхность (жидкость, газ),а также физические свойства (например, уменьшают вязкость, улучшают условия фильтрации).
Эти процессы эндотермические и требуют подвода тепловой энергии. Подвод тепла может осуществляться различными теплоносителями (дымовые газы, пар, горячая водa и т.п.) или воздействием на пласт различного рода полями.
Выбор температуры воздействия зависит от конкретного полезного ископаемого.
Например, температура плавления озокерита лежит в пределах 50...80 °С, серы 112,8...119 °С, бишофита 117 °С. Причём при температуре -160 °С вязкость серы повышается примерно в 800 раз. Необходимо отметить, что при превышении определённой температуры начинаются химические превращения вещества.
Характер протекания процессов термического воздействия на горные породы во многом зависит от того, из каких минералов, агрегатных структур состоит массив, стабильности их характеристик. Наиболее типичным примером теплового воздействия на массив пород является подземная выплавка серы. При этом необходимо выделять две части, выполняющие р.пличные функции. Первая простирается от устья до забоя (к нажины и является транспортной магистралью. Вторая включает в себя призабойную зону пласта, в которой происходит превращение полезного компонента в жидкое состояние. Такой способ называется подземной выплавкой. Естественно, что практический эффект зависит от количества подведённого к пласту тепла. Подавая заданные объемы теплоносителя в пласт, можно регулировать радиус зоны плавления
Процесс подземной выплавки представляет собой комплекс сложных физических явлений, математического описание которых не всегда возможно.
При подземной выплавке рудный пласт разогревается до температуры плавления полезного компонента путём нагнетания в массив горячего теплоносителя, который, фильтруясь по трещинам, кавернам и крупным порам, вытесняет холодную воду и выплавляет полезный компонент. Для разогрева пласта могут использоваться различные теплоносители: горячие дымовые газы, парогазовая смесь, пар, горячая вода, рассолы с различным удельным весом. Теплоноситель должен иметь большую удельную теплоёмкость, хорошие вытесняющие свойства и быть дешёвым в производстве. Выбор теплоносителя чрезвычайно важен, т.к. 50-60 % затрат по технологии приходится на получение и подогрев теплоносителя.
Скорость прогрева массива различными теплоносителями характеризуется коэффициентом термоинжекции. Для воздуха, дымовых газов, парогаза, пара и воды он соответственно составляет: , 2, 11, 31, 123 [б]. Наиболее эффективный термоинжекционный агент — горячая вода.
Тепловая энергия на подземном участке вокруг добычной скважины распространяется за счёт:
■	кондуктивного теплообмена, интенсивность которого полностью определяется температурными условиями протекания процесса и физическими свойствами рудного тела;
■	конвекции, при которой интенсивность процесса зависит от закономерностей движения жидкости, определяемых уравнениями аэрогазодинамики;
■	теплообмена между теплоносителями и рудным массивом.
У добычной скважины в зоне плавления взаимодействуют две жидкие и твёрдая фазы (расплавленный полезный компонент, вода и минералы, составляющие рудный скелет).
Расплавленный теплом горячей воды полезный компонент за счёт большего удельного веса стекает к почве пласта призабойной зоны скважины, образуя так называемую лужу, нижняя часть которой соприкасается с холодными подстилающими породами. При прекращении инжекции горячей воды в пласт в результате аварии или при ремонте важным параметром является время остывания расплавленного вещества.
Наиболее разработан процесс подземной выплавки применительно к месторождениям самородной серы.
Термохимические процессы при геотехнологии основаны на энергетических изменениях системы при химических превращениях полезных ископаемых, возникающих под действием внутрипластового теплового очага. Термохимические процессы лежат в основе таких геотехнологических способов как подземное сжигание серы, газификация угля и сланцев, тепловое воздействие на нефтеносные пласты, подземное сжигание угля.
Обычно наличие очага приводит к тому, что в массиве образуются отдельные зоны, для каждой из которых характерны определённые реакции и температуры. Для обоснования оптимального режима термохимического процесса необходимо выяснить:
■	распределение физико-химических зон процесса;
■	влияние и характер изменения фильтрационных зон;
■	характер распространения температурных зон;
■	режимы подачи рабочих агентов и т.п.
Одним из резервов развития геотехнологических способов является добыча полезных ископаемых непосредственно из магмы, однако эти процессы ещё недостаточно изучены.

Принцып диспергирования горных пород
Диспергирование — тонкое измельчение твёрдых тел или жидкостей, в результате которого образуются дисперсионные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Удельная работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от характеристик и структуры измельчаемой породы, поверхностной энергии и степени измельчения.
Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) — диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твёрдости — снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельчённой фазы.
Этот процесс пока не нашёл промышленного применения в геотехнологии.

Воздействие электромагнитных полей на массив горных порой
В основном, эти процессы используются для интенсификации химических реакций и процессов. Их сущность заключается в переводе электрической энергии в тепловую. Прогрев массива зависит от величины напряжённости электрического поля. Поле создаётся с помощью электродов, опускаемых в скважины, расположенные по контуру подлежащего разогреву массива.

Гидравлические процессы при
геотехнологических способах разработки
Эти процессы сводятся к следующим: гидрорасчленение, гидроподъём, гидроотбойка, гидротранспорт.
Гидрорасчленение повышает проницаемость массива за счёт разрыва пласта рабочей жидкостью под большим давлением.
Гидроподъём осуществляется за счёт: энергии нагнетаемого рабочего агента, вводимой в скважину энергии сжатого воздуха, погружными насосами и гидроэлеваторами
Гидроотбойка осуществляется струями рабочей жидкости высокого давления специальными скважинными гидромониторами с гибкими и телескопическими наконечниками.
Гидротранспорт — транспортировка разрушенной юроды в виде пульпы — смеси твёрдого и жидкого в определенном соотношении.
Гидромониторная струя является рабочим органом для разрушения, смыва, подъёма горной массы. Она характеризуется размером отдельных структурных элементов, начальным давлением воды на вылете из насадки, силой явления на забой на различных расстояниях от насадки.
Существенное влияние на параметры струи оказывает соотношение плотностей струи и среды, в которой она движется. Свободная незатопленная струя (рет>Рср) используется при открытой и подземной разработках месторождений полезных ископаемых. Затопленная свободная струя используется при скважинной гидродобыче, струйной зачистке днища кораблей, в реактивных двигателях и т.д. Несвободная затопленная струя (Рст <Рср)имеет место в эжекторных установках, при гидро-пескоструйной обработке призабойных зон нефте- и серо-добычных скважин, при бурении скважин гидромониторными долотами [7].
Гидромониторные струи делятся на: низкого (до 1 МПа), среднего (до 4 МПа), высокого (более 4 МПа) давления. Движение жидкости в струе характеризуется перемещением частиц воды при отсутствии твёрдых границ русла. Окончательное формирование струи происходит в насадке гидромонитора, назначение которой заключается в преобразовании статического давления воды в кинетическую энергию струи. По мере уменьшения сечения насадки при постоянном расходе воды скорость её увеличивается. Одновременно с этим увеличиваются потери напора в насадке, которые пропорциональны квадрату скорости потока. В конечном сечении насадки статическое давление, за вычетом потерь напора, переходит в скоростной напор.
Структура струи характеризуется геометрическими и гидравлическими параметрами. Начальные параметры струи определяются условиями формирования потока воды в подводящих каналах. Завихрения потока в подводящем канале, неравномерность профиля, турбулентность на входе в насадку, возникновение кавитации при больших напорах ухудшают компактность струи и уменьшают её дальнобойность. На параметры струи влияют вязкость и плотность среды, в которой распространяется струя. Гидравлические и геометрические параметры определяют важнейшие показатели струи на контакте с разрушаемой породой: силу удара и удельное динамическое давление струи.
Увеличение гидростатического давления до глубины 200-300 м существенно ухудшает параметры струи
Разрушение струёй в основном применяется при разработке слабо-связных и рыхлых горных пород и реже полускальных.
Размываемость породы определяется физико-геологическими факторами.
К гидравлическим факторам относятся напор и расход (диаметр насадки).
К технологическим факторам относятся условия воздействия струи на забой.
С увеличением пористости, трещиноватости, размокаемости и коэффициента фильтрации увеличивается скорость размыва, а с увеличением крепости, пластичности и коэффициента сцепления она уменьшается. В то же время содержание различных фракций минеральных частиц в горной породе и их сцепление также характеризуют её гидравлическую разрушаемость.
Сложность и недостаточная изученность явления размыва заставляют в настоящее время определять величину потребного напора струи и удельного расхода воды ориентировочно и только в производственных условиях уточнять их опытным путём.
Перемещение разрушенной струёй гидромонитора горной массы к всасу выдачного устройства происходит в потоке по почве камеры самотёчным или напорным потоком воды. Кроме того, самотёчная доставка может эффективно использоваться на поверхности от добычных скважин до карты намыва или перекачных землесосов.
Самотёчный транспорт возможен только при наличии определённого уклона. Подвижность смесей твёрдых частиц с жидкостями или газами зависит прежде всего от гранулометрического состава твёрдой фазы, её плотности и in количественного соотношения фаз. По преимущественному содержанию частиц определённых размеров в смеси с модой транспортируемый материал условно делится нафракции по крупности: кусковую (более 50 мм), крупнозернистую (от 10 до 50 мм), мелкозернистую (2-10 мм), песчаную (0,25-2 мм), пылеватую (0,05-0,25 мм), иловую (0,005-0,05 мм) и глинистую (менее 0,005 мм).
В потоке кусковая и крупнозернистая фракции перемещаются скачкообразно и волочением по дну потока, все же остальные фракции в основном перемещаются во взвешенном состоянии.
Подъём руды по скважине может быть осуществлён гидроэлеватором, эрлифтом или их комбинацией. Транспортирование руды от добычной скважины по трубам осуществляется землесосом или загрузочным аппаратом. При гидроэлеваторном подъёме рабочая вода из насадки гидроэлеватора, создавая вакуум в приёмной камере, засасывает поток гидросмеси и, смешиваясь с ним через диффузор, по трубам выдаёт её на поверхность.
Эрлифтный подъём, несмотря на низкий к.п.д. (10-30%), широко применяется для откачки пульпы ввиду своей простоты, надёжности и, главное, возможности свободного выноса абразивных частиц.
До настоящего времени отсутствует строгая математическая теория эрлифта, которая позволила бы практически рассчитать все его параметры.
Различают следующие основные режимы (структуры) смеси: пузырьковый, поршневой, пенный, капельный. Кроме того, существует множество смешанных режимов. Структура смеси зависит от многих факторов, основными из которых являются расход газа, свойства жидкости, растворимость газа, диаметр подъёмных труб, величина погружения эрлифта под динамический уровень откачиваемой жидкости.
Землесосы являются наиболее распространенными аппаратами гидравлического транспортирования самых разнообразных горных пород и относятся к разновидности турбомашин, конструкция которых имеет специфику, обусловленную наличием твёрдого материала в транспортируемой гидросмеси.
Подъём гидросмеси из зумпфа до выходного отверстия рабочего колеса осуществляется за счёт разности между атмосферным давлением и давлением расхода у входа в рабочее колесо. Выбрасывание гидросмеси в напорный трубопровод осуществляется за счёт энергии, передаваемой потоку лопатками рабочего колеса через вал землесоса от двигателя.