Обґрунтування параметрів робочого органа установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДK 622.271.6

Обґрунтування параметрів робочого органа установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин

Спеціальність: 05.05.06 - гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кухар Віктор Юрійович

Дніпропетровськ 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Провідне підприємство - Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ), відділ механіки машин і процесів переробки мінеральної сировини

Захист дисертації відбудеться 22 червня 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 20 травня 2005 р.

АНОТАЦІЯ

Кухар В.Ю. Обґрунтування параметрів робочого органу установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.06 - гірничі машини. Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності робочого органу для підводного видобутку незв'язних корисних копалин шляхом обґрунтування його конструктивних параметрів з урахуванням фільтраційного потоку та кута нахилу розмивальних форсунок.

Запропонована модель взаємодії похилого розмивального струменя та фільтраційного потоку із незв'язним ґрунтом. Отримано аналітичні залежності для визначення критичної фільтраційної витрати води з піддонного вибою, раціонального балансу води в вибої, характерних параметрів зони розмиву. Експериментальні дослідження на спеціально створеній лабораторній установці дозволили підтвердити теоретичні посилання та встановити емпіричні коефіцієнти в розрахункові аналітичні залежності.

Результати досліджень реалізовані у вигляді методики розрахунку параметрів робочого органу для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин. Наведено практичне використання і впровадження результатів досліджень, а також перспективи їх застосування.

Ключові слова: ежекторний робочий орган, похилена форсунка, турбулентний затоплений водяний струмінь, незв'язна корисна копалина, піддонний вибій, покривальна порода, фільтраційний потік, експеримент, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Кухарь В.Ю. Обоснование параметров рабочего органа установки для поддонной добычи несвязных полезных ископаемых. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - горные машины. Национальный горный университет. Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена повышению эффективности рабочего органа для подводной добычи несвязных полезных ископаемых путем обоснования его конструктивных параметров с учетом фильтрационного потока и угла наклона размывающих форсунок.

В работе изучается эжекторный рабочий орган с системой наклонных форсунок, который предназначен для поддонной добычи несвязного полезного ископаемого из месторождений с покрывающими породами. Основными конструктивными параметрами такого рабочего органа являются: рабочая длина, наружный диаметр, расстояние между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, количество, діаметр и параметры расположения размывающих форсунок. Согласно предложенной модели взаимодействия наклонной размывающей струи с массивом несвязного полезного ископаемого струя истекает из форсунки и совершает работу отрыва его частиц от массива, тем самым увеличивая длину и ширину своего распространения в массив. В результате взаимодействия струи с несвязным полезным ископаемым образуется зона размыва такого размера, при котором на ее границах устанавливается скорость, равная размывающей. Показано, что избыток воды в зоне размыва получает выход на донную поверхность грунта посредством фильтрационного потока. Обосновано, что рациональным режимом добычи несвязного полезного ископаемого из поддонного забоя является такой, при котором движение фильтрационного потока через грунт ламинарно, скорость фильтрационного потока на границе несвязного полезного ископаемого и покрывающих пород не превышает размывающую для частиц покрывающих пород, а концентрация твердого в пульпе на выходе рабочего органа максимальна. Показано, что при прочих равных условиях максимальная производительность рабочего органа достигается при расположении форсунок на границе зоны всасывания рабочего органа. Получены аналитические зависимости для определения критического фильтрационного расхода воды из поддонного забоя, рационального баланса воды в забое, характерных параметров зоны размыва. Экспериментально установлены эмпирические коэффициенты в расчетные аналитические зависимости.

Результаты исследований реализованы в виде методики расчета параметров рабочего органа для поддонного забора несвязных полезных ископаемых. Приведено практическое использование и внедрение результатов исследований, а также перспективы применения эжекторного рабочего органа для разработки погребенных месторождений песка.

Ключевые слова: эжекторный рабочий орган, наклонная форсунка, турбулентная затопленная водяная струя, несвязное полезное ископаемое, поддонный забой, покрывающие породы, фильтрационный поток, эксперимент, методика расчета.

THE SUMMARY

Kuhar V.Yu. Grounding the parameters of the working body of the facility for a subbottom mining of incoherent mineral resources. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.05.06 - Mining Machines. National Mining University, Dniepropetrovsk, 2005.

The thesis is devoted to the efficiency increase of the working body for a subbottom mining of incoherent mineral resources by means of grounding its constructive parameters and taking into account the filtrational flow and the inclination of the eroding jets.

The model of interaction of the inclined eroding jet and the filtrational flow with a massif of cohesionless soil is offered. The analytical relations for the definition of the water critical filtrational discharge from the subbottom working face, rational balance of water in the working face, characteristic parameters of the eroding zone have been obtained. Experimental investigations, carried out on the specially constructed laboratory-scale plant, have allowed confirming theoretical premises and placing empirical coefficients into estimated analytical relations.

The research results have been implemented as a technique for calculation of parameters of the working body for a subbottom mining of incoherent mineral resources. Practical usage and implementation of research results, and also the perspectives of their application ar given.

Keywords: an ejector working body, inclined injector, turbulent drowned water jet, incoherent mineral resources, subbottom working face, barings, filtrational flow, experiment, technique for calculation.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зменшення існуючого в Українському Причорномор'ї дефіциту в незв'язних корисних копалинах, у першу чергу в кварцовому піску, можливо шляхом їх видобутку з родовищ шельфу Азово-Чорноморського басейну, які здебільш розташовані на великих глибинах під шаром покривальних порід, та з намивних техногенних родовищ.

Робочі органи, які використовуються для підводного видобутку незв'язних корисних копалин, мають істотний недолік внаслідок того, що вони призначені для видобутку корисних копалин з поверхні родовища. Це потребує проведення розкривних робіт, що збільшує собівартість добутого продукту і приводить до негативних наслідків для водяної екосистеми. При видобутку корисної копалини з-під шару покривальних порід за допомогою заглибленого робочого органу, який має систему гідророзмиву, необхідність проведення розкривних робіт відпадає, якість продукту за рахунок його розубожування порожньою породою не погіршується, мінімізується негативний вплив видобутку на екосистему. Основними конструктивними параметрами такого робочого органу є його робоча довжина та зовнішній діаметр, відстань між всмоктувальним отвором та розмивальними форсунками, кут нахилу, кількість та діаметр розмивальних форсунок. Витратним параметром, який визначає ефективність видобутку, є співвідношення витрат води на розмив і на ежектування. У зв'язку з недостатнім вивченням процесів розмиву, всмоктування і фільтрації води в піддонному вибої створення такого робочого органу стикається з серйозними труднощами. Існуючі методи розрахунку його конструктивних параметрів не враховують фільтрацію води з піддонного вибою масиву з покривальними породами та не дозволяють розраховувати параметри піддонної зони розмиву, яка утворена похилим струменем. Це призводить до похибок у розрахунках, котрі зумовлюють неефективність процесів розмиву та всмоктування корисної копалини з піддонного вибою, низьку продуктивність та підвищені питомі енерговитрати видобутку.

На основі викладеного вище, встановлення залежностей між основними конструктивними параметрами робочого органу, який має систему розмиву з похилими форсунками, від розмірів піддонного вибою, фільтрації води з нього та фізико-механічних властивостей незв'язної корисної копалини й покривальної породи є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в розвиток "Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну й інших районів Світового океану до 2000 р.", пов'язана з одним із наукових напрямків кафедри гірничих машин НГУ і є складовою наукових досліджень, виконаних у межах держбюджетних тем ГП-251 "Розробка наукових основ і методів розрахунку параметрів технологічного устаткування при комплексному підході до процесів підводного видобутку і транспортування розсипних корисних копалин" (1999-2001 р.), № держрегістрації 01000U001807 і ГП-319 "Розробка теорії і наукове обґрунтування параметрів, процесів і устаткування для підводного видобутку корисних копалин" (2003-2004 р.).

Мета роботи полягає у підвищенні продуктивності та зниженні питомих енерговитрат ежекторного робочого органу установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин за рахунок обґрунтування його конструктивних параметрів, які забезпечують нерозмивання фільтраційним потоком корисної копалини і покривальної породи, а також за рахунок розташування розмивальних форсунок під раціональним кутом нахилу.

У роботі вирішуються такі основні задачі:

теоретичні дослідження впливу конструктивних параметрів робочого органу на процеси розмиву незв'язної корисної копалини та всмоктування пульпи із піддонного вибою з покривальними породами з урахуванням фільтрації води з нього;

експериментальні дослідження впливу конструктивних параметрів робочого органу на процеси розмиву незв'язної корисної копалини та всмоктування пульпи із піддонного вибою з покривальними породами з урахуванням фільтрації води з нього і визначення емпіричних коефіцієнтів;

розробка методики розрахунку параметрів ежекторного робочого органу для видобутку незв'язних корисних копалин із родовищ з покривальними породами та обґрунтування конструктивних параметрів;

створення та впровадження робочого органу в умовах дослідно-промислового видобутку.

Об'єкт дослідження - процеси розмиву незв'язної корисної копалини похилими турбулентними водяними струменями та всмоктування пульпи, які відбуваються в піддонному вибої родовища з покривальними породами при наявності фільтрації води з нього.

Предмет дослідження - конструктивні параметри ежекторного робочого органу із системою гідророзмиву, що містить нахилені форсунки.

Ідея дисертаційної роботи полягає у врахуванні фільтраційного потоку з піддонного вибою та куту нахилу розмивальних струменів при розрахунку та виборі конструктивних параметрів ежекторного робочого органа з системою гідророзмиву.

Методи досліджень. Поставлені задачі вирішувалися шляхом використання системного підходу в теоретичних дослідженнях параметрів робочого органу за допомогою аналітичного апарата прикладної гідродинаміки та теорії фільтрації. Експериментальні дослідження здійснювалися шляхом дослідження умов ефективного піддонного розмиву незв'язного ґрунту та всмоктування пульпи, аналізу й узагальнення результатів вимірів, проведених на лабораторній установці. Обробка отриманих даних, встановлення адекватності аналітичних залежностей та вірогідності результатів здійснені на ПЭОМ з використанням стандартних методів математичного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукове положення, яке виноситься на захист.

Кількість і діаметр форсунок системи гідророзмиву пропорційні сумарній витраті води, яка всмоктується робочим органом у складі пульпи і яка фільтрується з піддонного вибою, при цьому критична витрата фільтраційного потоку, що не розмиває незв'язну корисну копалину, пропорційна щільності її частинок, квадрату їхнього розміру та квадрату заглиблення зони розмиву в масив, а нелінійна залежність між кутом відхилення форсунок від вертикалі і концентрацією твердого в пульпі має максимум у діапазоні 15-30.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше встановлено, що довжина робочого органу повинна враховувати не тільки товщини покривальної породи та шару незв'язної корисної копалини, а також і висоту її цілика, яка пропорційна критичній витраті осесиметричного фільтраційного потоку.

Вперше встановлено, що установка розмивальних форсунок під кутом 15-30 від вертикалі забезпечує найкращі розмив незв'язної корисної копалини та подачу її до всмоктувального отвору, при цьому коефіцієнт розширення піддонної зони розмиву пропорційний синусу кута відхилення осі форсунки від вертикалі.

Одержав подальший розвиток метод розрахунку системи розмиву робочого органу, відповідно до якого нелінійна залежність відстані від розмивальних форсунок до всмоктувального отвору та концентрації твердого в пульпі має максимум, коли ця відстань дорівнює глибині зони всмоктування робочого органу.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена коректною постановкою завдання досліджень, використанням відпрацьованих класичних методів теоретичних досліджень, великим обсягом експериментальних даних, достатньою збіжністю теоретичних і експериментальних залежностей (розбіжність експериментальних і теоретичних значень при визначенні довжини зони розмиву не перевищує 18%, коефіцієнта розширення нижнього напівструменя 20%, коефіцієнтів ширини для нижнього і для верхнього напівструменів - відповідно 10% і 15%), а також результатами випробувань модернізованого робочого органу дослідно-промислової видобувної установки, в ході яких було зафіксовано підвищення продуктивності на 8% при відхиленні досягнутого значення від розрахункового 10%.

Наукове значення роботи полягає в отриманні аналітичної залежності для визначення критичної фільтраційної витрати з піддонного вибою як функції від властивостей матеріалу, що добувається, і параметрів системи розмиву робочого органу; отриманні аналітичних залежностей для визначення основних геометричних параметрів піддонної зони розмиву, утвореної похилим водяним струменем, як функції параметрів систему розмиву і властивостей матеріалу, що добувається.

Практичне значення роботи полягає в розробці науково обґрунтованої інженерної "Методики розрахунку параметрів гідравлічного робочого органу для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин із родовищ з покривальними породами"; в підвищенні продуктивності й зниженні питомих енерговитрат установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин за рахунок застосування спроектованого за зазначеною методикою ежекторного робочого органу.

Реалізація результатів. Основні результати роботи використані в Науково-технічному центрі морського машинобудування НВТОВ "Океанмаш" (м. Дніпропетровськ) - при розрахунку конструктивно-технологічних параметрів і розробці конструкторської документації робочого органу модернізованої установки для екологічно ощадливого видобутку піску УЩДП-1; у ТОВ "Аква-Будматеріали" - при проведенні приймально-здавальних випробувань модернізованої установки УЩДП-1. "Методика розрахунку параметрів гідравлічного робочого органу…" впроваджена в Науково-технічному центрі морського машинобудування НВТОВ "Океанмаш" (м. Дніпропетровськ), Дніпропетровськом річпорту, на Підприємстві ЗАТ "Колірмет" (м. Вільногірськ).

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети та ідеї роботи, постановці завдання досліджень, установленні критеріїв для моделювання процесів розмиву похилим струменем і фільтраційним потоком з вибою до донної поверхні, обґрунтуванні умов раціонального режиму видобутку, організації й проведенні лабораторних і виробничих випробувань, впровадженні методики розрахунку та конструкції робочого органу в практику дослідно-промислового видобутку піску.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були викладені в доповідях й обговорені на науково-технічній нараді "Екологічні проблеми і особливості експлуатації берегових об'єктів морегосподарського комплексу України" (м. Ізмаїл, 1998), на міжнародній науковій конференції "Проблеми і перспективи геотехнологій на початку III тисячоріччя" (м. Дніпропетровськ, 2002), на міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми збагачення руд розсипних родовищ і шляхи їх вирішення" (м. Дніпропетровськ, 2003), на міжнародній науково-технічній конференції "Форум гірника-2003" (м. Дніпропетровськ, 2003).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 11 друкованих роботах у наукових фахових виданнях, у 4 тезах доповідей на міжнародних конференціях. За результатами дисертаційної роботи отриманий 1 патент України, захищений також патентом Росії.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота нараховує 164 сторінки машинописного тексту і складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 116 назв. Текстова частина проілюстрована 38 малюнками, має 2 таблиці і 9 додатків на 61 сторінці.

конструктивний пульпа порода фільтрація

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячений огляду й аналізу сучасних способів і технічних засобів для підводного видобутку незв'язних корисних копалин (НКК), досліджень і методів розрахунку гідравлічних робочих органів і розпушувачів.

Розглянуто світовий та вітчизняний досвід освоєння природних і техногенних підводних родовищ НКК і перспективи їхнього подальшого розвитку. Проаналізовано конструкції й експлуатаційно-технологічні можливості пристроїв для підводних гірничих робіт при розробці родовищ НКК. На прикладах досвіду використання гідравлічних земснарядів обґрунтована перспективність їхнього застосування для розробки родовищ із покривальними породами з глибин до 100 м.

На підставі аналізу експлуатації сучасних гідравлічних робочих органів зроблено висновок, що для видобутку НКК з підводних родовищ із покривальними породами найбільш прийнятним є ежекторний робочий орган із системою різноспрямованих гідророзпушувальних струменів, що здійснює видобуток способом вирв. Такий робочий орган дозволяє вести селективний видобуток піщаних і гравійних ґрунтів з-під шару щільних покривальних порід без проведення розкривних робіт. Робочий орган має високі показники працездатності, надійності й ремонтопридатності. Основними конструктивними параметрами такого робочого органу є: робоча довжина , зовнішній діаметр , відстань між всмоктувальним отвором і розмивальними форсунками, кут нахилу, кількість і діаметр розмивальних форсунок.

Наведено огляд і аналіз досліджень підводного видобутку НКК і методів розрахунку гідравлічних грунтозабірних і розпушувальних пристроїв, виконаних Б.М. Шкундіним, Д.В. Рощупкіним, С.П. Огородніковим, А.И. Харіним, П.П. Пуховим, В.Б. Добрецовим, Г.Н. Сізовим, И.М. Коноваловим, Е.О. Кіріченко, А.И. Богомоловим, Є.С. Єкіменковим, В.А. Жученко, В.А. Роздольним, А.О. Бондаренко та ін. Дослідниками встановлено, що максимальна концентрація гідросуміші та продуктивність земснаряда досягається при використанні глибинного режиму всмоктування НКК з використанням гідравлічного робочого органу. Відомі на поточний момент методи розрахунку робочих органів для роботи способом вирв не враховують фільтрацію води з піддонного вибою масиву з покривальними породами. Це призводить до похибок у розрахунках, котрі зумовлюють неефективність процесів розмиву та всмоктування корисної копалини в піддонному вибої, низьку продуктивність і підвищені питомі енерговитрати на видобуток. В результаті огляду й аналізу досліджень і методів розрахунку гідравлічних розпушувальних пристроїв установлено, що розроблені методи їх розрахунку не дозволяють розраховувати систему розмиву для умов піддонного вибою при кутах нахилу розмивальних струменів, відмінних від вертикалі або горизонталі. При цьому з досвіду придонного гідророзмиву витікає, що похилий струмінь забезпечує більш великі розміри зони розмиву, чим вертикальний або горизонтальний. Тому актуальним є комплекс задач з встановлення залежностей між основними конструктивними параметрами робочого органу, який має систему розмиву з похилими форсунками, від розмірів піддонного вибою, фільтрації води з нього та фізико-механічних властивостей незв'язної корисної копалини та покривальної породи, розробці та удосконаленню на їх основі робочих органів.

Наприкінці розділу сформульовані завдання теоретичних і експериментальних досліджень та методи їхнього виконання.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням розмиву НКК похилими турбулентними водяними струменями та всмоктування утвореної при цьому пульпи з урахуванням фільтраційного потоку з піддонного вибою масиву з покривальними породами (ПП). Розглянуто вплив умов підводного залягання й фізико-механічних властивостей НКК і ПП на основні процеси піддонного видобутку. ПП у залежності від їхніх фізико-механічних властивостей і поводження при відпрацюванні піддонного вибою умовно можна розділити на три типи: стійкі (ракушняк, зцементована черепашка або черепашниковий детрит, злежалі глини), пластичні (глинисті ґрунти, мули щільного залягання) та текучі (пухкі мули, колоїдні суспензії).

Для отримання якісної картини процесу розмиву НКК проведено попередні експериментальні дослідження, які показали наступне. Похилий розмивальний струмінь витікає з форсунки і виконує роботу з відриву частинок НКК від масиву (рис. 1), тим самим збільшуючи довжину й ширину свого поширення в масив. На кінцевій ділянці струмінь змінює свій напрямок і утворює спрямований в бік донної поверхні висхідний потік. У результаті взаємодії струменя з НКК утворюється зона розмиву такого розміру, при якому на її межах установлюється швидкість, що дорівнює розмивальній. Процес взаємодії струменя з масивом, при якому виникли такі умови, є сталим.

Надлишок води в зоні розмиву одержує вихід на донну поверхню ґрунту за допомогою фільтраційного потоку. При градієнті фільтраційного потоку J і його швидкості U менше критичних Jкр і Uкр=Uруйн для даної НКК надлишок води виходить на поверхню без його фільтраційної руйнації (замкнена зона розмиву). При J>Jкр і U>Uруйн відбувається порушення суцільності НКК з утворенням у масиві вертикального "каналу" - грифона, через який відбувається винесення частинок НКК потоком води на донну поверхню (незамкнена зона розмиву).

В результаті аналізу розмірностей та відповідно до теорії подібності встановлені визначальні критерії гідродинамічної подібності, з яких обрано число Рейнольдса для струминного двофазного потоку похилого струменя у вигляді:

, (1)

для фільтраційного потоку у вигляді:

, (2)

де - швидкість струменя в початковому перетині;

- швидкість фільтраційного потоку;

- початковий діаметр струменя;

- еквівалентний лінійний розмір пор НКК;

- кінематична в'язкість тіла струменя;

- кінематична в'язкість води.

Запропоновано модель взаємодії робочого органу, оснащеного системою похилих розмивальних форсунок, з масивом НКК з покривальними породами. Схема потоків у піддонному вибої наведено на рис. 2. У ході проведення попередніх експериментів встановлено зв'язок кількості розмивальної води , поданої в зону розмиву, і концентрації пульпи на виході робочого органу за інших рівних умов. Також виявлено взаємозв'язок поводження НКК над всмоктувальним отвором робочого органу від кількості подаваної в зону розмиву води , від висоти цього шару, фізико-механічних властивостей НКК і від конструктивних параметрів робочого органу (кута нахилу розмивальних струменів , відстані між всмоктувальним отвором і розмивальними струменями). Концентрація пульпи на виході робочого органу змінюється від мінімального значення - при відсутності подачі води на розмив ( =0), до максимального - в момент виходу грифона на поверхню й початку обвалення НКК ( =).

Фільтраційний потік на межі "НКК - ПП" у залежності від типу ПП і швидкості руху води впливає по-різному. Для стійких і пластичних ПП, які мають розмивальну швидкість вищу, ніж у НКК, а коефіцієнт фільтрації, відповідно, нижчий, потік рухається вздовж межі вбік отвору між робочим органом і шаром ПП, і через нього виходить на донну поверхню. При малій швидкості фільтраційний потік не робить помітного впливу на ПП. При утворенні грифона відбувається розмив НКК і ПП на їхній межі в напрямку руху потоку води вбік отвору між робочим органом і шаром ПП, що послаблює міцність ПП і може привести до їхньої передчасної руйнації. Для текучих ПП фільтраційний потік викликає розмив їхньої підошви, що зумовлює потрапляння частинок ПП в зону розмиву разом з НКК, яка опускається, та може викликати розубожування ґрунту.

Таким чином, раціональним режимом піддонного видобутку НКК з родовища, що розташоване під ПП слід вважати такий, при якому рух фільтраційного потоку через шар НКК не викликає його фільтраційне руйнування, швидкість фільтраційного потоку на межі НКК і ПП не більше розмивальної швидкості для частинок ПП, а концентрація твердого в пульпі на виході робочого органу максимально можлива.

Аналітична залежність для визначення критичної витрати фільтраційного потоку, при якій починається фільтраційне руйнування шару НКК, отримана із умови забезпечення нестійкої рівноваги частинок НКК при гідродинамічному впливі на них висхідного осесиметричного об'ємного фільтраційного потоку в вигляді:

, (3)

де - коефіцієнт ефективної площі фільтраційного потоку;

- щільність частинок НКК;

- щільність води;

d90 - діаметр частинок НКК, менше якого по м асі міститься 90 %;

- висота шару НКК над усмоктувальним отвором;

- відстань між всмоктувальним отвором робочого органу і початком похилих форсунок;

- довжина піддонної зони розмиву;

- кут відхилення осі розмивального струменя від вертикалі.

Залежність для визначення продуктивності основного насоса по воді для забезпечення роботи робочого органу з заданою продуктивністю по твердому без утворення грифона:

, (4)

де - витрата води, подаваної до ежекторних форсунок;

- коефіцієнт всмоктування.

Коефіцієнт всмоктування визначається виразом:

, (5)

де - частина витрати води, яка подається на розмив, що всмоктується робочим органом з піддонного вибою у складі пульпи.

Довжина піддонної зони розмиву визначається максимальною далекобійністю похилого струменя. Вона отримана на основі аналізу вигляду залежності для визначення безрозмірної осьової швидкості турбулентного осесиметричного затопленого струменя однорідної рідини та з урахуванням результатів попередніх експериментів у вигляді:

, (6)

де - розмивальна швидкість для НКК;

- радіус початкового перетину струменя (радіус розмивальної форсунки); - коефіцієнт структури струменя.

Залежність для розрахунку коефіцієнта розширення похилого струменя в умовах піддонного вибою отримана на основі аналізу залежності коефіцієнта розширення вертикального струменя в умовах піддонного вибою і результатів попередніх експериментів у вигляді:

, (7)

де a, b, m, - емпіричні коефіцієнти;

- функція впливу кута відхилення осі струменя від вертикалі;

- відносна крупність частинок НКК.

Установлено, що функцію можна представити у вигляді:

, (8)

де - емпіричні коефіцієнти.

Обробка даних попередніх лабораторних досліджень підтвердила припущення про взаємозв'язок між довжиною зони розмиву і довжиною ділянки похилого струменя . Відношення знаходиться в залежності від відносної крупності частинок НКК і кута відхилення осі струменя від вертикалі та визначається формулою:

, (9)

де , і - емпіричні коефіцієнти.

Тоді максимальна ширина напівструменя у вертикальній площині визначається залежністю:

, (10)

де с - коефіцієнт розширення напівструменя.

Аналіз результатів лабораторних досліджень зони розмиву у вертикальній площині підтвердив справедливість допущення про існування взаємозв'язку між коефіцієнтом розширення напівструменя в горизонтальній площині і коефіцієнтом розширення нижнього напівструменя.

Вираження для визначення коефіцієнта розширення напівструменя в горизонтальній площині отримано в результаті теоретичного дослідження нестійкої рівноваги частинки ґрунту на утворювальній зони розмиву у вигляді:

(11)

де , - коефіцієнти розширення відповідно напівструменя в горизонтальній площині і розширення нижнього напівструменя;

- середній діаметр частинок НКК;

- коефіцієнт затиснення частинок.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням розмиву НКК похилими турбулентними водяними струменями та всмоктування пульпи з піддонного вибою.

Лабораторні дослідження проведені на лабораторній установці, яка оснащена стандартною вимірювальною апаратурою, за методиками, розробленими відповідно до стандартних положень.

Лабораторна установка (рис. 3) складається з герметичного двосекційного бака з відкритим верхом і переднім оглядовим вікном.

Передня секція бака заповнена кварцовим піском, над яким є шар води. У передній секції з деяким заглибленням у пісок установлений робочий орган. Він містить центральний всмоктувальний патрубок і систему розмиву, яка складається з двох бокових форсунок із змінюваним кутом нахилу осей їхніх сопіл. Забір НКК з вибою через всмоктувальний патрубок здійснюється за допомогою гідроелеватора. Джерелом води під тиском для роботи систем розмиву і гідроелеватора служить водогінна мережа. Дослідження проведені для кварцового піску із середніми крупностями 0,265 і 0,545 мм.

Виміри геометричних параметрів зони розмиву виконувалися лінійкою, а витрати води і пульпи - об'ємним методом з використанням мірної ємності і секундоміра "Агат".

Експерименти виконували в два етапи, досліджуючи:

піддонний розмив НКК одиночним похилим струменем;

всмоктування розмитої похилими струменями НКК з піддонного вибою.

За результатами обробки експериментальних даних отримані чисельні значення емпіричних коефіцієнтів у залежностях для визначення критичної фільтраційної витрати, коефіцієнту всмоктування, геометричних розмірів зони розмиву, яка утворена похилим струменем. Значення емпіричних коефіцієнтів розраховані на ПЕОМ у пакеті MathCAD з використанням методу найменших квадратів.

Установлено, що раціональним діапазоном для кута відхилення осей розмивальних форсунок від вертикалі є 15-30. Для зазначеного діапазону кутів визначено значення коефіцієнта всмоктування =0,019-0,022. При таких значеннях забезпечуються стабільність процесів розмиву НКК, всмоктування пульпи та найбільша концентрація НКК в пульпі на виході робочого органу при нерозмиванні НКК фільтраційним потоком.

Установлено, що коефіцієнт ефективної площі фільтраційного потоку для умов початку утворення стійкого грифона при розташуванні розмивальних форсунок під раціональним кутом нахилу змінювався від 0,107 до 0,134 для піску із середньою крупністю частинок 0,265 мм і від 0,091до 0,131 для піску із середньою крупністю частинок 0,545 мм. Для НКК з середньою крупністю частинок 0,1-1,0 мм і коефіцієнтом фільтрації 110-2 - 110-4 см/с при визначенні критичної витрати фільтраційного осесиметричного потоку можна використовувати значення коефіцієнта ефективної площі =0,113.

Установлено наступні значення емпіричних коефіцієнтів: у залежність для розрахунку довжини піддонної зони розмиву =0,039, у залежність для розрахунку коефіцієнта розширення нижнього напівструменя при значенні кута відхилення осі струменя в радіанах а= -445; b=0,15; m=0,49; =0,698; = -1,256, у залежність для розрахунку коефіцієнта розширення верхнього напівструменя: а=50; b=0,037; m=0,49; = -0,001; =0,115. Графічне зображення експериментальних даних і теоретичних залежностей довжини піддонної зони розмиву та коефіцієнта розширення нижнього напівструменя наведено на рис. 4, де знаками показані експериментальні значення, а суцільними лініями - теоретичні залежності.

Установлено, що при збільшенні числа Рейнольдса коефіцієнт розширення нижнього напівструменя збільшується, а коефіцієнт розширення верхнього напівструменя зменшується по гіперболічному закону, а при Re50000 їх можна вважати постійними як для нижнього, так і для верхнього напівструменів, і залежними тільки від кута нахилу струменя.

Аналіз отриманих значень осереднених коефіцієнтів ширини для нижнього і верхнього напівструменів (рис. 5) показав, що зі збільшенням діаметра форсунок значення коефіцієнтів і ширини зони розмиву нелінійно зростають, асимптотично наближаючись до постійного значення. При діаметрах форсунок понад 10 мм значення коефіцієнтів і можна вважати постійними і залежними тільки від кута нахилу струменя.

Значення коефіцієнта бокового розширення струменя визначено для для піску з =0,265 мм рівним =1,139, а для піску з =0,455 мм - =1,286.

Оцінка точності отриманих аналітичних залежностей виконана стандартними методами. В результаті статистичної обробки встановлено, що при довірчій імовірності 90% похибка теоретичних значень довжини піддонної зони розмиву не перевищує 18%, коефіцієнта розширення нижнього напівструменя 20%, верхнього напівструменя 20% при довірчій імовірності 85%, коефіцієнтів ширини для нижнього і для верхнього напівструменя - відповідно 10% і 15% при довірчій імовірності 90%. Отримані залежності справедливі за умови, що матеріалом, який підлягає видобутку, є незв'язний пісок із середньою крупністю 0,1...1…1,0 мм, повинна бути дотримана рівність критеріїв гідродинамічної подібності параметрів роботи робочих органів у лабораторних і природних умовах. При цьому зберігається гідродинамічна подібність процесів розмиву й усмоктування пульпи.

У четвертому розділі наведена методика розрахунку параметрів робочого органу для піддонного видобутку НКК, описані практичне використання та впровадження результатів досліджень, а також перспективи застосування ежекторного робочого органу для розробки похованих родовищ піску.

Методика містить розрахунки гідропідйому і струминного насоса, які виконуються за відомими методиками, розрахунок конструктивних параметрів робочого органу і його системи розмиву (робоча довжина , зовнішній діаметр , відстань між всмоктувальним отвором і розмивальними форсунками, кут нахилу, кількість і діаметр розмивальних форсунок), які виконуються за результатами досліджень.

З метою раціонального режиму всмоктування розмитої НКК розмивальні та бурильні форсунки розміщують на головці (рис. 6), яка винесена перед всмоктувальним отвором робочого органу на відстань, що визначається з умови знаходження зони розмиву, утвореної похилими струменями, на межі зони всмоктування робочого органу. Кут відхилення осей розмивальних форсунок від вертикалі приймають рівним 25. При цьому для рівномірного розмиву НКК навколо циліндричного робочого органу розмивальні форсунки встановлені на головці таким чином, щоб зони розмиву, які утворені суміжними форсунками, перетиналися в точках, що відповідають їхній найбільшій ширині в горизонтальній площині. Передбачено почергове спрямування, наприклад, за допомогою клапана, води до бурильної форсунки при забурюванні робочого органу в НКК і до розмивальних форсунок при розмиві НКК і всмоктуванні пульпи.

Діаметр розмивальної форсунки одержують із перетвореного виразу для розрахунку витрати рідини, що витікає з сопла

, (12)

де - коефіцієнт витрати форсунки;

- тиски води в системі розмиву та у зоні розмиву відповідно;

- число розмивальних форсунок.

Мінімальну висоту шару НКК над всмоктувальним отвором робочого органу визначають з умови недопущення утворення грифона за формулою

. (13)

Довжину робочого органу визначають наступним чином

, (14)

де - висота уступу;

- товщина шару ПП.

Розроблені методи розрахунку конструктивних параметрів робочого органу для видобутку НКК з родовищ із покривальними породами були використані при розрахунку і робочому проектуванні ежекторних робочих органів установки для видобутку піску УЩДП-1 (рис. 7) у ході її модернізації в 2001 р. Виготовлені робочі органи випробувані в натурних умовах на Самарському родовищі піску в липні 2001 р. у складі модернізованої установки УЩДП-1 при проведенні її приймально-здавальних випробувань. Результати випробувань показали, що максимальна технічна продуктивність кожного з двох робочих органів складала 135 т/годину, середня технічна продуктивність при відпрацьовуванні окремої вирви складала 90-95 т/годину. Отримані значення продуктивності в середньому на 8% вище відповідних значень, отриманих при експлуатації УЩДП-1 з використанням базових робочих органів. При цьому питома витрата електроенергії на видобуток знизилася з 1,6 кВт до 1,1 кВт на тону добутого піску. Відхилення досягнутого значення продуктивності від розрахункового (100 т/годину) не перевищує 10%, що свідчить про правильність методів розрахунку. Методи розрахунку конструктивних параметрів робочого органу були покладені в основу "Методики розрахунку раціональних параметрів ґрунтозабірника для піддонного видобутку незв'язних ґрунтів із родовищ з покривальними породами". Методика була впроваджена в НТЦММ НВТОВ "Океанмаш" у 2001 р., у Дніпропетровському річковому порту і на Підприємстві ЗАТ "Колірмет" (м. Вільногірськ) у 2004 р. Отримані позитивні результати використання і впровадження результатів дисертаційної роботи дозволяють вважати поданий спосіб видобутку незв'язних корисних копалин, у тому числі похованих під шаром покривальних порід і реалізуючу його техніку перспективними для розробки корінних річкових, морських родовищ і намивних техногенних родовищ незв'язних корисних копалин.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача встановлення залежностей основних конструктивних параметрів ежекторного робочого органу, оснащеного системою розмиву з похилими форсунками, від розмірів піддонного вибою, фільтрації води з нього та фізико-механічних властивостей незв'язної корисної копалини й покривальної породи для підвищення на цій основі його продуктивності та зниження питомих енерговитрат.

Найбільш значущі наукові результати, висновки і рекомендації:

Уперше розрахунок конструктивних параметрів робочого органу для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин здійснений за умови нерозмивання корисної копалини і покриваючої породи висхідним фільтраційним потоком із забезпеченням максимально можливої концентрації твердого в усмоктуваній пульпі.

Довжина робочого органу повинна враховувати не тільки товщини покривальної породи та шару незв'язної корисної копалини, але й висоту її цілика над всмоктувальним отвором, яка пропорційна критичній витраті осесиметричного фільтраційного потоку.

Установка розмивальних форсунок під кутом 15-30 від вертикалі забезпечує найкращі розмив ґрунту і подачу його до всмоктувального отвору, при цьому коефіцієнт розширення піддонної зони розмиву пропорційний синусу кута відхилення осі форсунки від вертикалі.

Одержав подальший розвиток метод розрахунку системи розмиву робочого органу, відповідно до якого встановлена нелінійна залежність відстані від розмивальних форсунок до всмоктувального отвору та концентрації твердого в пульпі, яка має максимум при відстані, що дорівнює глибині зони всмоктування робочого органу.

Розбіжність експериментальних і теоретичних значень з довірчою імовірністю 90% при визначенні довжини зони розмиву не перевищує 18%, коефіцієнта розширення нижнього напівструменя 20%, коефіцієнтів ширини для нижньої і для верхніх напівструменів - відповідно 10% і 15%.

Розроблено інженерну методику розрахунку конструктивних параметрів (довжина, зовнішній діаметр, відстань між всмоктувальним отвором і розмивальними форсунками, кут нахилу, кількість і діаметр розмивальних форсунок) робочого органу для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин із родовищ з покриваючими породами.

Ежекторний робочий орган модернізованої установки УЩДП-1, який був спроектований з використанням розробленої в дисертації методики розрахунку, забезпечив підвищення продуктивності видобутку в середньому на 8% при зниженні питомих енерговитрат на 25-30%. Відхилення значення досягнутої продуктивності від розрахункової не перевищує 10%, що свідчить про правильність методів розрахунку.

Результати роботи впроваджені в НТЦММ НВТОВ "Океанмаш" при проектуванні ежекторних робочих органів для модернізованої установки УЩДП-1, а також у Дніпропетровському річковому порту і на Підприємстві ЗАТ "Колірмет" (м. Вільногірськ). Очікуваний річний економічний ефект при промисловому видобутку піску установкою УЩДП-1, отриманий за рахунок використання спроектованого за розробленою в дисертаційній роботі методикою робочого органу, в цінах 2001 р. складає 23500 грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНІ У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Кухар В.Ю., Запара Е.С., Бондаренко А.А. Випробування технологічного обладнання для екологічно ощадливого видобутку піску з підводних родовищ \\ Науковий вiсник Нацiональноп гiрничоп академiп Украпни. - 1998. - № 2. - С. 9 - 11.

2. Кухарь В.Ю. Опыт отработки на речном полигоне элементов экологически щадящей технологии и обеспечивающих ее внедрение технических средств для подводной добычи песка \\ Геотехническая механика. Межвед. сб. науч. трудов. - 1999. - Вып. 16. - С.74-84.

3. Кухарь В.Ю. О технике и технологии экологически щадящей добычи россыпных полезных ископаемых в море \\ Науковий вiсник Нацiональноп гiрничоп академiп Украпни. - 2000. - № 6.- С.60-63.

4. Запара Е.С., Кухарь В.Ю., Бондаренко А.А. О рационализации параметров грунтозаборника для поддонной добычи песка \\ Науковий вісник Національної гірничої Академії України. - 2002. - № 5. - С. 61 - 62.

5. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Обоснование параметров лабораторной установки для изучения процессов поддонной выемки грунта \\ Збагачення корисних копалин: Наук.-техн.зб.-2002, Вип. 13(54) - С. 121 - 125.

6. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Методика экспериментальных исследований поддонного гидроразмыва несвязного грунта \\ Вибрации в технике и технологиях.-2002.-№ 5(26). - C.73-75.

7. Кухарь В.Ю. Гидродинамика процесса поддонного гидроразмыва несвязных полезных ископаемых \\ Збагачення корисних копалин: Наук.-техн.зб.-2002, Вип. 15(56). - С.109 - 116.

8. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Критерии подобия в наклонной турбулентной струе \\ Сборник научных трудов НГУ. - Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. - Т. 1, №17.- С. 520 - 524.

9. Запара Е.С., Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Определение расхода воды, фильтрующейся из поддонного забоя при добыче несвязного грунта \\ Сборник научных трудов НГУ. - 2004. - № 19, том 5. - С. 233-239.

10. Кухарь В.Ю. Критерий подобия фильтрационного потока, образованного в грунте водяной струей \\ Збагачення корисних копалин: Наук.-техн.зб.- 2004.-№ 20 (61). С. 25 - 28.

11. Запара Е.С., Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Определение коэффициента расширения наклонной струи в горизонтальной плоскости \\ Науковий вісник Національного гірничого університету.-2005.-№1.-С.63-66.

12. Добыча строительных песков и других россыпных полезных ископаемых в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна по экологически щадящей технологии \ Зиборов А.П., Кухарь В.Ю., Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.А. \\ Материалы научно-технического совещания "Экологические проблемы и особенности эксплуатации береговых объектов морехозяйственного комплекса Украины". Вестник Украинского дома экономических и научно-технических знаний. -1998.- № 2.-С.45-46.

13. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. К вопросу изучения процесса размыва грунта турбулентной водяной струей \\ Материалы международной научной конференции "Проблемы и перспективы геотехнологий в начале III тысячелетия". - Днепропетровск: НГУ.-2002.- С.31.

14. Вопрос создания технических средств для освоения намывных техногенных месторождений \ Кухарь В.Ю., Зиборов А.П., Кузьминский В.П., Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.А. \\ Материалы международной научно-практической конференции "Проблемы обогащения руд россыпных месторождений и пути их решения". - Днепропетровск: НГУ.-2003.- С.4.

15. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. О критериях подобия турбулентной затопленной наклонной осесимметричной водяной струи \\ Материалы международной научно-технической конференции "Форум горняков-2003".-Днепропетровск: НГУ.-2003.- С.13.

16. Грунтозаборное устройство. Патент України № 46197А, Бюл. № 11 от 17.11.2003 г.

Размещено на Allbest.ru

...