Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях реструктуризации горнодобывающей промышленности России техническое перевооружение и реконструкция перспективных предприятий позволят увеличить объемы добычи твердых сыпучих полезных ископаемых, тем самым снизить их себестоимость, а следовательно, и отпускную цену. Дальнейший технический прогресс в этой отрасли связан с освоением новых месторождений и развитием действующих предприятий на основе внедрения новых высокопроизводительных, безопасных, природоохранных технологий. Большое значение имеет сегодня освоение месторождений, ранее считавшихся непригодными к разработке из-за отсутствия соответствующих технологий и оборудования. К ним можно отнести обводненные и погребенные обводненные месторождения россыпного золота, платины, алмазов, рубинов, редких металлов (тантал, ниобий), олова, вольфрама, циркония и редкоземельных минералов в природно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. В России доля таких месторождений составляет 14 %... 16 % общего числа. Традиционные методы добычи, то есть открытым способом, драгами и промприбо-рами в подобных случаях малоэффективны из-за большого объема вскрышных работ и значительного ущерба окружающей природной среде. Шахтный способ добычи неприменим из-за слишком большой обводненности не только разрабатываемых, но и выше- и нижележащих пластов вмещающих пород. Применение для добычи земснарядов ограничено глубиной залегания разрабатываемых пластов, то есть не более 15...20 м.
Одним из направлений развития новой техники и технологий в рассматриваемом случае является использование эрлифтного подъема.
Преимущество использования эрлифтных установок для поиска, разведки и добычи вышеупомянутых сыпучих полезных ископаемых из обвод-
ненных и погребенных обводненных месторождений обусловлено простотой его конструкции, легкостью обслуживания, высокой надежностью в работе, сравнительно небольшими расходами на его монтаж, эксплуатацию и ремонт. Показатель эффективности извлечения сыпучих полезных ископаемых из месторождений такого типа находится в прямой зависимости от технологических возможностей применяемого способа разработки, а также используемого для его реализации оборудования.
Главное преимущество применения эрлифтного способа для разработки погребенных месторождений состоит в возможности осуществления добычи полезного ископаемого с глубины до 100 м и более из пластов малой мощности (1...1,5 м) без переработки вскрыши или с минимальной ее перевалкой, то есть отсутствуют взрывные и погрузочные работы, автомобильная откатка, что практически исключает запыленность и загазованность окружающей атмосферы, снимает полностью вопрос вентиляции, как при разработке месторождений открытым или подземным способом, обеспечивает комфортные условия труда обслуживающего персонала.
Использование эрлифтных установок существующих конструкций не дает требуемого эффекта, так как они разрабатывались для условий относительного погружения смесителя эрлифта в пределах 0,15...0,7. Для условий разработки обводненных и погребенных обводненных месторождений сыпучих полезных ископаемых значения относительного погружения смесителя эрлифта находятся в пределах 0,8...0,98.
В связи с этим актуальными становятся исследования процесса гидроподъема эрлифтными установками сыпучих полезных ископаемых при условии погружения смесителя от 40 до 250 м и более и высоте подъема над уровнем воды в пределах 2...5 ми создании на основании их результатов методов оценки эффективности и расчета параметров глубинных эрлифтных установок.
На сегодняшний день отсутствует общепринятая методика оценки эффективности эрлифтных установок. В связи с расширением области применения стало актуальным выполнение исследований, позволяющих установить обобщающий показатель оценки эффективности их использования. Оценка эффективности эрлифтной установки с помощью предлагаемого метода позволит на основе анализа изменяющейся информации о величине абсолютного погружения смесителя и высоты подъема пульпы над поверхностью воды рассчитывать рациональные параметры и режимы ее работы.
Разработка методов оценки эффективности и расчета параметров глубинных эрлифтных установок, позволяющая осваивать ранее считавшиеся непригодными к разработке обводненные и погребенные обводненные месторождения, уменьшить затраты на разработку месторождений и эксплуатацию оборудования, снизить экологический ущерб окружающей среде, является актуальной научной задачей.
Цель работы. Установление зависимости рациональных параметров и режимов работы глубинной эрлифтной установки от условий ее эксплуатации, обоснование методов оценки и расчета, обеспечивающих максимальную эффективность установки в каждом рассматриваемом случае.
Идея работы. Обеспечить добычу и подъем на поверхность сыпучих полезных ископаемых из погребенных обводненных месторождений с минимальными потерями по содержанию твердого в пульпе глубинными эрлифтными установками.
Научные положения, разработанные лично соискателем, н их новизна:
- метод оценки эффективности эрлифтных установок, представляющий обобщенную оценку эффективности узлов и элементов ее технологической схемы, учитывающую изменение параметров и режимов работы установки в зависимости от абсолютного погружения смесителя и высоты подъема пульпы над поверхностью воды;
математическая модель глубинной эрлифтной установки, позволяющая определять рациональные параметры и режимы ее работы, с учетом изменения относительного погружения смесителя от 0,8 до 0,98;
показатель структуры потока водовоздушной смеси в подъемном трубопроводе эрлифта, оцениваемый гидродинамическим режимом его движения, характеризуемого критериями Рейнольдса и Фруда, определяемыми с учетом гидравлической классификации эрлифтов;
- зависимости удельного расхода воздуха и коэффициента подачи глубинной эрлифтной установки от относительного погружения смесителя, изменяющегося в пределах от 0,8 до 0,98.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Результаты, полученные в работе и базирующиеся на применении научных методов исследований, включают теоретические исследования с использованием основных законов гидромеханики, экспериментальные исследования в промышленных условиях с использованием современных средств и методов контроля измеряемых величин. Точность экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляла 88...93%.
Научное значение работы состоит в разработке метода и показателей оценки эффективности эрлифтных установок, позволяющих определить и обосновать направления ее повышения; в установлении критериального описания движения гидросмеси в подъемном трубопроводе глубинного эрлифта, основанном на результатах теоретических и экспериментальных исследований; в разработке математической модели глубинной эрлифтной установки, позволяющей аналитически определять ее оптимальные параметры и режимы работы; в установлении зависимостей удельного расхода воздуха и коэффициента подачи от относительного погружения смесителя, изменяющегося в пределах от 0,8 до 0,98.
Практическая значимость работы заключается в разработке метода оценки эффективности и методики расчета параметров глубинных эрлифтных установок, а также в разработке технологической схемы глубинной эрлифтной установки для добычи сыпучих полезных ископаемых из погребенных обводненных месторождений, ранее считавшихся непригодными для промышленного освоения и эксплуатации.
Реализация работы в промышленности. Результаты работы по повышению эффективности глубинных эрлифтно-сепарационных установок по добыче сыпучих полезных ископаемых из погребенных обводненных и обводненных месторождений сыпучих полезных ископаемых внедрены и приняты к внедрению на предприятиях Российской Федерации: метод оценки эффективности эрлифтных установок используется ЗАО «Новосибирский песчаный карьер» (п. Криводаново Новосибирской области), Муниципальным унитарным предприятием производственного управления водопроводно-канализационного хозяйства (МУП ПУВКХ) г. Усолье-Сибирское (Иркутской области); прошла опытно-промышленные испытания и находится в эксплуатации эрлифтно-сепарационная установка для добычи песчано-гравийной смеси на карьере ЗАО «Новосибирский песчаный карьер» (п. Криводаново Новосибирской области); выполнен рабочий проект глубинной эрлифтной установки для разработки погребенного обводненного месторождения россыпного золота «Ручей Сорго» (Иркутская обл.); выполнен рабочий проект эрлифтно-сепарационной установки ЭС-2 для очистки накопительного водоема водозабора от твердых фракций, смешанных с речным илом в г. Усолье-Сибирское в Иркутской области.
Внедрение результатов исследований позволило получить фактический экономический эффект в сумме 2 226 064,65 рублей (ЗАО «Новосибирский песчаный карьер» п. Криводаново Новосибирская обл.).
Соответствие темы исследований государственным научным программам. Диссертация содержит ис-
следования, выполненные по плану основных научно-исследовательских работ ОАО «РУСУГЛЕМАШ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: У Международном симпозиуме (Санкт-Петербург, 1998); «Неделе горняка-99» (МГГУ, 1999); «Неделе горняка-2000» (МГГУ, 2000); научно-техническом Совете ОАО «РУСУГЛЕМАШ» (2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, а также включает список использованных источников из 107 наименований, 25 рисунков, 28 таблиц и 3 приложений.