Геометризация процесса сегрегации cкальных пород по крупности при формировании отвалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

38

На правах рукописи

Специальность 25.00.16- «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Геометризация процесса сегрегации cкальных пород по крупности при формировании отвалов

Лаптев Юрий Викторович

Екатеринбург - 2007 г.

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук

Научный консультант - доктор технических наук, старший научный сотрудник Гальянов Алексей Владимирович

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Яковлев Виктор Леонтьевич доктор технических наук, профессор Кашников Юрий Александрович доктор технических наук, старший научный сотрудник Афанасьев Борис Гаврилович

Ведущая организация - Институт горного дела СО РАН

Защита состоится « 8 » ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО « Уральский государственный горный университет» по адресу : 620144, ГСП-126, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд.2142.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « » сентября 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.К.Багазеев

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы Развитие идеи П.К.Соболевского о геометризации процессов при современном уровне развития горного производства является актуальным на новом этапе формирования теоретических основ горно-геометрического анализа. Геометризация производственного процесса предполагает аналитическое и геометрическое описание закономерностей, присущих определенному этапу горнотехнической деятельности предприятия. В этом отношении цель, стоящая перед геометризацией процесса, аналогична цели, стоящей при геометризации месторождения - выявление закономерностей, формализация, объяснение и использование их в информационных технологиях.

Сегрегация есть физический процесс разделения сыпучего материала по крупности при отсыпке его на наклонную поверхность отвальных тел. В практике горного производства эффект сегрегации проявляется при отсыпке отвалов пустых пород, формировании рудных складов различного функционального назначения как в карьерах, так и на промплощадке горно-обогатительных предприятий. Эффект сегрегации широко используется в практике обогащения руд черных и цветных металлов. Для повышения эффективности разделительного процесса в обогащении разработаны способы и средства на основе использования гравитационных сил, тангенциальной и нормальной вибраций. Эффект сегрегации проявляется также в газообразной и жидкой среде, что используется в химической промышленности.

В условиях горного производства процесс сегрегации рассматривается в трех направлениях: разработка методов сепарации в дробильных и гравитационных схемах подготовки минерального сырья перед обогащением; разработка способов и средств, обеспечивающих устойчивость откосов отвалов вскрышных пород; рудоподготовка минерального сырья перед его обогащением. Как показал анализ, примерное соотношение публикаций по этим направлениям составляет 4 : 2 : 1, что вполне отражает недостаточную степень изученности процесса сегрегации в горном деле. Несмотря на то, что явление сегрегации горной массы известно в технической литературе уже более 40 лет, физический механизм этого явления не раскрыт и математически не описан. Это определяет научную актуальность вопроса.

Основная закономерность сегрегации отчетливо просматривается при визуальном анализе поверхности откосов отвалов: концентрация мелких фракций в верхней части откосов, крупных фракций - в нижней их части. Однако для решения широкого круга инженерных, технологических и экологических задач необходимо знать изменение гранулометрического состава, пористости, коэффициента фильтрации, насыпной плотности пород и других показателей по всей высоте отвала.

На ряде месторождений выявлена устойчивая статистическая закономерность: качественные показатели мелких фракций минерального сырья значительно отличаются от соответствующих характеристик в крупных классах. Это обстоятельство необходимо использовать при разработке технологии рудоподготовки на карьерах, основой которой являются разделительные операции (селекция, грохочение и т.д.). В этих условиях знание законов сегрегации приобретает важное практическое значение.

Таким образом, геометризацию процесса сегрегации горной массы по крупности при формировании отвалов следует считать актуальной научной задачей, имеющей важное практическое приложение.

Объектом исследований в работе являются отвалы вскрышных пород, рудные склады, а предметом исследований выступает геометризация процесса сегрегации горной массы по гранулометрическому составу при формировании отвалов и складов.

Цель работы заключается в установлении закономерностей сегрегации горной массы по гранулометрическому составу на основе геометризации процесса отсыпки отвалов для разработки эффективной технологии формирования насыпных тел.

Идея работы состоит в использовании массово-балансовой модели для геометризации процесса разделения скальных пород по гранулометрическому составу при ее отсыпке на поверхность откоса отвала.

Задачи диссертационной работы заключаются в следующем:

1 Установить закономерности изменения гранулометрического состава скальных пород на откосе насыпных тел в зависимости от физико-механических свойств пород и шероховатости наклонной поверхности отвала на основе геометризации процесса отвалообразования.

2 Исследовать влияние параметров горно-транспортного оборудования на разделительную способность шероховатой поверхности отвалов при их формировании на основе геометризации процесса отвалообразования.

3 Выявить геометрические закономерности формирования внутренней структуры отвалов при их отсыпке и её влияние на показатели устойчивости.

4 Установить зависимость качественных показателей минерального сырья от его гранулометрических характеристик.

5 Дать геометрическое и математическое описание явлению разделения сыпучего материала по крупности при отсыпке его на наклонную поверхность насыпного объекта.

6 Обосновать и разработать технологические схемы формирования качества минерального сырья с использованием установленных закономерностей разделения руды при ее отсыпке на откос отвалов.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту:

1 Геометризация процесса формирования отвалов скальных пород позволила установить: выход кусков разной крупности на фиксированной высоте находится в прямой зависимости от параметров шероховатости поверхности откоса, содержания кускового материала в исходной выгружаемой массе и в обратной зависимости от высоты отвала, производительности выгрузки, начальной скорости движения горной массы, а также размера и момента инерции вращения самих кусков.

2 Установленные геометризацией соотношения, описывающие закономерность разделения горной массы по гранулометрическому составу на откосе отвалов приобретают универсальный характер, если в качестве аргумента функции выхода фракций принять нормированный показатель отношения высоты отвала к размеру максимального куска.

3 Методами геометризации установлено,что при отсыпке отвалов сыпучей массой с различным гранулометрическим составом отмечается неравномерная плотность укладки скальных пород, что приводит к образованию «пятнистой» структуры массива насыпного объекта.

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе широко использованы методы научного познания: теоретическое обобщение современных знаний и представлений о процессе сегрегации, теоретические исследования на основе массово-балансовой модели разделения сыпучего материала по крупности на шероховатой поверхности насыпных тел, лабораторный эксперимент, опытно-промышленные испытания, методы геометрии недр.

Личный вклад автора состоит:

- в выдвижении и реализации идеи (массово-балансовая модель потоков), обосновании концепции кинетики процесса сегрегации сыпучего материала при отсыпке отвалов, в основе которых лежит модель сползания горной массы по поверхности с углом естественного откоса. В процессе сползания массы происходит «втирание» мелких фракций-заполнителей в шероховатую поверхность откоса. При этом крупные куски, «всплывая», скатываются вниз к основанию отвального тела;

- в разработке программы проведения экспериментальных работ по изучению процесса сегрегации сыпучего материала на откосе насыпных объектов, непосредственном участии в проведении экспериментов;

- в разработке теоретических основ разделения по крупности скальных пород при формировании отвалов, установлении основных закономерностей сегрегации горной массы при формировании насыпных объектов на основе геометризации физического процесса разделения сыпучего материала по гранулометрическому составу при отсыпке отвалов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических оценок геометризации процесса сегрегации с результатами лабораторных и промышленных испытаний по установлению закономерностей разделения скальных пород по крупности при формировании отвалов ( r = 0,97).

Научная новизна результатов исследований:

- впервые проведена геометризация процесса разделения горных скальных пород по гранулометрическому составу на откосе насыпных тел. Основой модели служит баланс материальных потоков сыпучей массы на шероховатой поверхности откоса отвала;

- установлены зависимости вероятностного распределения гранулометрического состава горной массы на откосе отвала от параметров шероховатости поверхности откоса (, ), высоты отвала (Н), физико-механических характеристик породы и ее кусковатости () на основе геометризации процесса сегрегации;

- на основе геометризации выявлена “карстовая” структура массива отвала, связанная с неоднородной плотностью укладки скальных пород внутри тела штабеля, и, таким образом, с коэффициентом разрыхления;

- установлена взаимосвязь разделительной способности шероховатой поверхности откосов насыпных тел от параметров выгрузки горно-транспортного оборудования, осуществляющего формирование отвалов, методами геометризации обоснованы начальные условия технологии формирования насыпных объектов(автомобильная выгрузка, бульдозерная сдвижка);

- разработан алгоритм расчета коэффициента запаса устойчивости и фильтрационных свойств отвалов на основе геометризации процесса сегрегации скальных пород по шероховатой наклонной поверхности отвалов;

- установлены взаимосвязи между качественными показателями минерального сырья и его гранулометрическими характеристиками на месторождениях вкрапленных руд: на Саткинском месторождении магнезитов крупные фракции имеют пониженные содержания вредных компонентов; на Баженовском месторождении хризотил-асбеста мелкие фракции имеют повышенное содержание волокна;

- разработана методика прогнозирования качества минерального сырья и технология отработки складов некондиционной руды на основе геометризации процесса сегрегации при формировании отвалов.

Научная значимость результатов исследований состоит в том, что геометризация процесса сегрегации скальной породы по крупности при отсыпке ее на наклонную шероховатую поверхность откоса отвалов позволяет впервые учесть влияние горнотехнических факторов и параметров горно-транспортного оборудования на разделительную способность этой поверхности. Установленные зависимости должны учитываться при разработке методик расчета показателей устойчивости откосов отвалов, их фильтрационной способности и технологии рудоподготовки в конкретных условиях горного производства, что определяет существенный вклад в развитие теоретических основ геометризации технологических процессов горного производства.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты геометризации процесса сегрегации рекомендуется использовать при проектировании технологий отвалообразования, расчете параметров устойчивости откосов отвалов, их фильтрационной способности и технологических параметров грохотильных схем рудоподготовки в карьерах, учитывающих взаимосвязь качества минерального сырья с его гранулометрическим составом, что обеспечивает повышение качества сырой руды в 2 - 3 раза и повышает безопасность работ при формировании высоких отвалов.

Реализация работы. Результаты исследований положены в основу рекомендаций и технологических решений по формированию качества добываемой руды на карьерах ОАО «Комбинат «Магнезит» и ОАО «Ураласбест». На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана технологическая схема рудоподготовки минерального сырья в карьере с внедрением в проект грохотильно-перегрузочных пунктов. Рекомендации автора использованы проектной организацией «Уралгипроруда», предприятиями ОАО «Комбинат «Магнезит» и ОАО «Ураласбест» при разработке технических систем предобогащения руды в карьерах на основе применения грохотильно- перегрузочных пунктов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в 23 работах, в т.ч. в 3 монографиях (в соавторстве), докладывались на межгосударственных научно-технических конференциях "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала" (Магнитогорск, 1995) и "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже ХХI века" (Магнитогорск, 1996), международных конференциях "Проблемы разработки месторождений глубокими карьерами (Мельниковские чтения)" (Челябинск, 1996) и "Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов" (Пермь, 2003), научном симпозиуме "Неделя горняка - 2006" (Москва, 2006), Уральском горнопромышленном форуме (Екатеринбург, 2006), выездной научной сессии Научного совета РАН по проблемам горных наук (Пермь,2007), а также на технических совещаниях ОАО "Комбинат Магнезит" и ОАО "Ураласбест".

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 303 страницах, в том числе содержит 78 рисунков, 44 таблицы; список использованной литературы включает 187 источников.

2. Основное содержание работы

Изученность явления сегрегации скальных пород при формировании насыпных тел

Для решения многих практических задач горного производства используются методы геометризации геохимических полей и технологических процессов. Главной задачей геометризации является представление всесторонней геометрической характеристики изучаемого процесса в удобной и наглядной форме в виде планов, разрезов, изоповерхностей, блок-диаграмм и графиков. Геометризация процесса сегрегации горной массы по крупности при формировании насыпных объектов как строгая физико-математическая методика позволяет установить закономерности спонтанного разделения сыпучего материала по гранулометрическому составу при отсыпке отвалов. Большой вклад в развитие научных основ геометризации недр и процессов внесли П. К. Соболевский, П.А. Рыжов, И. Н. Ушаков, В.А. Букринский, Г . И. Вилесов, А. А. Трофимов, В.М. Калинченко, П.П. Бастан, Р. П. Окатов, В.Н. Попов ,В.М. Гудков, А. В. Гальянов, В. А. Гордеев и другие.

Сегрегация сыпучего материала по крупности при его отсыпке на наклонную шероховатую поверхность отвальных тел представляет собой сложный физический процесс, зависящий от множества природных и технологических факторов. Изучению явления сегрегации посвящено небольшое количество работ и в них представлены самые общие результаты исследований. В основе первых теоретических представлений лежит описание процесса скатывания кусков с помощью элементов теоретической механики.

Экспериментальные методы изучения сегрегации в большинстве случаев основаны на применении фотопланиметрии для оценки грансостава на откосе отвалов. Но до сих пор не имеется удовлетворительного аналитического описания процесса сегрегации. Поэтому проведение дальнейших промышленно-лабораторных испытаний и теоретических исследований сегрегации представляет значительный научный и практический интерес.

Большой вклад в изучение процесса сегрегации горных пород по крупности при отсыпке отвалов внесли Е.И.Азбель, П.П.Бастан, А.В.Гальянов, Н.П.Ершов, В.Г.Зотеев, М.Н.Ковалев, М.Г.Морозов, В.П.Новиков, Р.П.Окатов, В.Н. Попов, П.А.Радченко, К.Н.Трубецкой , В.Л.Яковлев и другие.

Проведенный анализ современного состояния изученности процесса сегрегации позволяет сделать следующие выводы:

1 Явление сегрегации имеет место во многих природных и технологических процессах и играет большую роль в классификации и гравитационных процессах обогащения полезных ископаемых.

2 Основная закономерность сегрегации при анализе поверхности откосов отвалов проявляется в концентрации мелких фракций в верхней части откосов, а крупных фракций - в нижней части. Явление сегрегации приводит к увеличению пустотности в нижней части откоса насыпи.

3 Классифицирующее действие наклонной плоскости лежит в основе многих разработок по сегрегационному разделению сыпучих материалов с целью выделения кондиционных для переработки фракций руды и обогащения минерального сырья и применяется в технологических схемах рудоподготовки с разделением высоты склада некондиционного сырья на подуступы, а также в технологии предобогащения руды в карьере, реализуемой на основе функционирования грохотильно- перегрузочных пунктов.

4 Сегрегация дробленого материала до сих пор не имеет удовлетворительного аналитического объяснения. Наиболее перспективным представляется применение методов описания механизма кинетики сегрегационного разделения в теории гравитационных процессов обогащения, а также использование общей теории разделения макроскопической физики.

Результаты экспериментальных исследований процесса сегрегации при отсыпке отвалов скальными породами

Недостаточная изученность физического механизма процесса сегрегации определила необходимость проведения целенаправленных лабораторно-промышленных исследований. С этой целью в период 1993-2005 гг. были проведены эксперименты на специальных стендах, моделирующие процесс сегрегации на реальных объектах. Эксперименты выполнены на промплощадке ОАО «Комбинат «Магнезит» и в условиях лаборатории ИГД УрО РАН.

Цель проведения экспериментов состояла в исследовании закономерностей разделения скальных пород и сыпучего материала по крупности при отсыпке их на плоскость с углом естественного откоса этих пород.

При этом ставились следующие задачи:

- установить закономерности формирования внутренней структуры штабелей в зависимости от режима отсыпки (тонкие и толстые слои, мелкая и крупная фракции);

- исследовать характер изменения качественных показателей руды при формировании складов;

- оценить разделительную способность наклонной плоскости;

- оценить влияние исходного грансостава рудной массы на проявление эффекта сегрегации.

Исходным материалом служили хвосты обогащения крупностью 0-120 мм, из которых составлялись смеси заданного грансостава. Рассев материала выполнен на ситах с ячейками размером 8, 20, 40, 80 мм. Проведено 4 эксперимента по следующей схеме:

1 Формирование штабеля осуществлялось последовательной отсыпкой порций рудного материала на пионерную насыпь вдоль фронта штабеля до полного формирования плоскости с углом естественного откоса. Последующая отсыпка производилась по схеме: в точку разгрузки отсыпалось три порции (порция представляет собой ведро объемом 12 л с заполнением 20-30 кг) так, что две порции ссыпались под откос, а третья - на бровку. После заполнения всего фронта штабеля специальным скребком производилось сталкивание массы под откос, этим имитировалась работа бульдозера. Затем все операции повторялись до полного заполнения стенда.

2 Отгрузка штабеля произведена слоями, каждый слой в свою очередь разделен на заходки. Материал каждой заходки взвешивался с точностью до 0,1 кг, рассевался на ситах, и каждая фракция взвешивалась. Таким образом осуществлялся внутренний контроль отгрузки штабеля (баланс массы).

3 Камеральная обработка материалов состояла в расчете выхода различных фракций рудной массы для каждой заходки. Каждая заходка получила
геометрическую привязку к узловым точкам стенда, что позволило закоординировать положение заходок и результаты ситовых анализов.

Использование метода изолиний на поверхностях с числовыми отметками дало возможность геометрически интерпретировать закономерности, сопутствующие процессу сегрегации (рис. 1). Первый эксперимент состоял в отсыпке штабеля широким фронтом на горизонтальное основание; второй - в отсыпке штабеля узким фронтом на горизонтальное основание; третий - в отсыпке штабеля на наклонное основание; четвертый - в отсыпке штабеля толстыми слоями разного грансостава на наклонное основание.

Основные выводы по результатам экспериментальных исследований сводятся к следующему:

при отсыпке дробленого материала на наклонную плоскость откоса штабеля всегда происходит перераспределение масс по крупности материала: в верхней части штабеля доминирует мелкая фракция, в нижней - крупная;



Рисунок 1 - Изолинии выхода фракций различной крупности в опытном штабеле ( угол наклона основания штабеля - 20о; угол естественного откоса - 37о)

в поперечном сечении штабеля выделяются три зоны формирования его внутренней структуры. Первая прилегает непосредственно к пионерной
насыпи и ограничивается поверхностью с углом естественного откоса.
Вторая занимает основной объем штабеля и характеризуется достаточно стабильным, устоявшимся соотношением масс различных фракций. Третья зона отсыпки непосредственно прилегает к поверхности штабеля;

распределение масс по крупности на поверхности отсыпки (третья зона) значительно отличается от распределения масс внутри штабеля (вторая зона);

отмечается закономерность: отсыпка производится наклонными слоя ми, а распределение масс по крупности формирует слои, параллельные основанию штабеля. Особенно это наглядно проявляется для крупной и мелкой фракций;

- при наличии зависимости качества сырья от крупности материала общий характер изменения грансостава внутри тела штабеля определяет характер изменения содержаний контролируемых показателей и внутренней структуры штабеля;

внутреннюю структуру штабеля можно рассматривать как слоевую, параллельную основанию отсыпки. Принципиальное положение состоит в том, что плотность укладки материала в штабеле неравномерная, это приводит к «пятнистой» структуре массива и образованию внутренних карстовых зон, то есть зон с пониженной плотностью укладки. Наименьшая плотность укладки наблюдается в области «утюга» штабеля (рис. 2);

Рисунок 2 - Изолинии коэффициента разрыхления рудной массы во внутренней структуре опытного штабеля

отсыпка тела штабеля толстыми слоями, значительно различающимися по грансоставу (размер среднего куска отличается в 2-3 раза и более), сохраняет в поперечном сечении этого штабеля слоевую структуру. При этом слои имеют неправильную геометрическую форму.

Это обстоятельство делает малоэффективным способ разделения тела склада на подуступы по критерию качества, так как в этом случае сохраняется значительное разубоживание кондиционных руд материалом низкого качества. Из этого следует принципиальное положение: отсыпка от-вальных тел тонкими слоями предпочтительней, чем отсыпка толстыми слоями;

экспериментально установлено, что разделительная способность наклон-ной шероховатой поверхности насыпных тел увеличивается по мере возрастания их высоты. При этом внешняя наклонная поверхность отвалов имеет больший показатель разделения, чем поверхность наклонных слоев внутренней структуры;

четких границ между слоями не наблюдается: крупнокусковой материал вдавливается в мелкофракционный материал, мелкофракционный материал просыпается в поры крупнокускового;

при влажности дробленого материала 5-6 % и более процесс сегрегации происходит менее контрастно: фракция-песок насыщает все тело склада. Комплекс проведенных исследований позволяет выдвинуть принципиально новую концепцию кинетики процесса сегрегации дробленого скального материала при отсыпке его на естественную наклонную поверхность. В основе этой концепции лежит модель сползания горной массы по шероховатой поверхности с углом естественного откоса под действием собственной силы тяжести сдвигающих сил, подпирающих объемов отсыпаемых пород, а также трения, возникающего на поверхности откоса. В процессе сползания массы происходит «втирание» мелких фракций-заполнителей в шероховатую поверхность откоса. При этом отдельные крупные куски скатываются к основанию. Постепенно просеиваясь, фракции-заполнители «мигрируют» от верха до основания штабеля, создавая достаточно плотную укладку в подошвенном слое штабеля. Принятое до сих пор представление о повышенных фильтрационных свойствах нижних слоев отвалов основано на оценке коэффициента разрыхления внешней зоны отсыпки. Такое представление оправдано для отвалов небольшой высоты и лишь в начальный период отсыпки. Но при формировании высоких и многоярусных отвалов, когда высота и время отсыпки определяют вертикальное воздействие, приводящее к уплотнению нижних подошвенных слоев штабеля, это положение может приобрести принципиальный характер.

Теоретические основы геометризации процесса сегрегации сыпучих материалов при отсыпке отвалов

Комплекс проведенных экспериментальных исследований позволяет выдвинуть следующую теоретическую концепцию о кинетике процесса сегрегации дробленого скального материала при отсыпке отвалов. В основе этой концепции лежит модель сползания горной массы по поверхности с углом естественного откоса. В процессе сползания массы происходит «втирание» мелких фракций-заполнителей в шероховатую поверхность откоса. При этом крупные куски, «всплывая», скатываются вниз к основанию отвального тела. Таким образом происходит естественный процесс дезинтеграции (разделения) исходной горной массы по крупности на шероховатой наклонной поверхности откоса отвалов. Сегрегационный процесс, происходящий при отсыпке отвалов, является разделительным. В теоретической физике разделительные процессы описываются кинетическим уравнением Эйнштейна - Фоккера - Планка - Колмогорова диффузионного типа. Строгое решение данного уравнения представляет собой функцию распределения исследуемого показателя в поле задаваемого пространства. Тем не менее, в большинстве случаев решение дифференциального уравнения упирается в численные методы, а само представление результатов сложно для восприятия.

Теория обогатительного передела использует ряд математических моделей для описания разделительных процессов. Среди них можно выделить массово-балансовую модель грохочения Л.А.Вайсберга и Д.Г.Рубисова. Исходные положения данной модели нами приняты как основополагающие для разработки теоретических основ процесса сегрегации горной массы на откосе отвалов. Структура математической модели процесса сегрегации рудного материала на отвалах представлена на рис. 3.

При движении потока дробленого скального материала по шероховатому откосу отвала происходит разделение горной массы на три продукта:

- поровый (частицы, заполняющие поры шероховатой поверхности откоса);

- надпоровый (частицы, оставшиеся на шероховатой поверхности за счет сил трения);

- материал, продолжающий движение по откосу в соответствии с законами динамики.

Исходя из концепции массово-балансовой модели основное уравнение баланса представлено следующим образом:

, (1)

где - исходный поток материала (производительность), м3/с;

- поток материала, заполняющий поры шероховатости поверхности откоса, м3/с;



Рисунок 3 - Структура математической модели процесса сегрегации рудного материала на откосе отвалов

- часть исходного потока, оставшаяся на шероховатой поверхности за счет сил трения, м3/с;

Q - поток материала, продолжающий движение по откосу, м3/с.

Принципиальная схема разделения исходного потока сыпучего материала на поверхности откоса отвала представлена на рис.4.



Рисунок 4 - Схема разделения потока сыпучего материала по шероховатой наклонной поверхности откоса отвала

Исходя из баланса материальных потоков, интегральный выход куска i-го диаметра на интервале (0, ) определяется из выражения

,

где - выход i-го куска в исходном материале.

Исходными данными для построения математической модели служат следующие параметры: начальная скорость движения по откосу , м/с; объем загруженной в кузов автосамосвала горной массы или объем призмы волочения бульдозера , м3; ширина кузова автосамосвала или лемеха бульдозера b, м; высота лемеха бульдозера hлем , м; высота отвала H , м; длина откоса отвала l, м; расстояние от верхней бровки отвала до i-й точки его сечения х, м; угол откоса отвала , град; угол внутреннего трения ,

град; коэффициент внутреннего трения сыпучего материала ; ускорение свободного падения g, м/с2; время разгрузки t , с; коэффициент живого сечения шероховатой поверхности откоса ; концентрация i-го куска в исходной отсыпаемой сыпучей массе Рi , дол.ед.; размер отдельного куска в сыпучей массе dк , м; максимальный диаметр куска в сыпучей массе dmax , м; момент инерции вращения куска заданной формы (шар, параллелепипед, эллипсоид) J , кг·м2; эксцентриситет куска (отношение толщины куска к его ширине) ; коэффициент гистерезисных потерь при одноосном растяжении - сжатии , являющийся эмпирической характеристикой трения физического материала. шероховатый отвалообразование минеральный сырье

Величина начального потока является исходным параметром, который рассчитывается для конкретного типа автосамосвала или бульдозера по формулам, соответственно,

, Qo = bhлемvo.

Величина потока , заполняющего поры шероховатой поверхности, определяется из полученного нами выражения

,

где величины , b, x и dк являются исходными данными модели. Значение коэффициента живого сечения принимается равным .

- вероятность, с которой частица диаметром dк попадает в пору диаметром с одной попытки (вероятность Годена).

Диаметр поры по длине откоса изменяется линейно и задан выражением

,

где - начальное значение диаметра поры в верхней части откоса, м.

- коэффициент заполнения поры диаметром частицей размером dк.

Функция является нормальной составляющей скорости падения частицы в пору и выражается полученной формулой

,

где величины результирующей скорости падения частицы в пору vp и скорость движения горной массы по поверхности откоса отвала v определяются, соответственно, из выражений

,

,

где - гравитационная составляющая скорости падения куска в пору.

Величина потока имеет физический смысл «втирания» сыпучего материала в поры шероховатой поверхности откоса и определяется при выполнении условия, если dк < dп , т.е. для случаев, когда размер куска не превышает размера поры. В обратном случае dк ? dп , величина потока равна 0. При условии dк > dп для определения величины потока получено выражение

.

Коэффициент пограничного слоя является показателем доли объема «пограничного» слоя Vп в исходном выгружаемом объеме Vo . Эти величины рассчитываются по формулам

.

В теории трения при энергетической оценке определяется коэффициент потерь на трение как отношение работы, затраченной на преодоление сил трения , к общей затраченной работе Ао . В условиях решаемой задачи величины и Ао эквивалентны значениям соответствующих кинетических энергий Етр и Ео :

, .

С учетом вышеизложенного коэффициент определяется выражением

,

где - потеря скорости частицей сыпучего материала за счет сил трения, рассчитываемая по формуле

.

Динамический коэффициент формы определяется отношением момента вращения куска произвольной формы к моменту инерции вращения куска формы шара Jф.

.

Совокупный коэффициент трения отдельного куска kтр изменяется по длине откоса в соответствии с предложенным нами соотношением

.

Для упругих контактов значения коэффициента трения скольжения kск и коэффициента сопротивления качению kкач определяются согласно теории трения по формулам

Глубина шероховатости hш поверхности изменяется по его длине в соответствии с заданным выражением

.

Величина представляет собой коэффициент гистерезисных потерь при движении внедряемого тела в пору поверхности. При скольжении или качении сферы установлено, что =2,2, где - коэффициент гистерезисных потерь для материала, определенный в экспериментах по одноосному растяжению-сжатию.

Величины и в теории трения определяются экспериментально и связаны парой трущихся тел: железо - железо, камень - железо и т.д. В условиях решаемой задачи можно принять в качестве коэффициента пропорциональности, и в дальнейшем это может являться предметом исследований. Выход кусковой фракции на высоте отвала hj определяется из выражения (2).

Основным конечным результатом разработанной математической модели является гранулометрическая характеристика сыпучего материала в любом сечении откоса отвала, определяемая по совокупности рассчитанных значений выхода . Величина зависит от физико-механических свойств сыпучего материала, горнотехнических факторов и параметров горно-транспортного оборудования.

Исследование процесса сегрегации горной массы при формировании насыпных объектов

Сопоставление результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процесса сегрегации горной массы на отвалах проводилось в соответствии с законами теории моделирования с соблюдением правил геометрического, кинематического и динамического подобия. При этом использованы переходные формулы теории моделирования. На рис.5 приведены теоретические и экспериментальные кривые выхода кусковой фракции горной массы по откосу отвала. Коэффициент корреляции между экспериментальными и теоретическими данными составил r = 0,97 0,98.



Рисунок 5 - Сопоставление экспериментальных и теоретических кривых выхода кусковой фракции горных пород по высоте отвала (опытный штабель №3)

1 - фракция +40м; - теоретическая кривая;

2 - фракция 0,2 - 0,4м;

3 - фракция 0 - 0,2м; - экспериментальная кривая

а - кумулятивные кривые выхода кусковой фракции горных пород

по высоте отвала;

б - кривые распределения гранулометрического состава горных пород по высоте

Влияние высоты насыпных объектов на процесс сегрегации горной массы. На процесс движения горной массы по откосу отвала, сопровождающийся спонтанным разделением ее по гранулометрическому составу, влияет множество горнотехнических факторов. К числу рассмотренных в математической модели факторов относятся: угол естественного откоса отвала , зависящий от угла внутреннего трения сыпучего материала, слеживаемости и условий начального сопротивления сдвигу; размер максимального куска сыпучей смеси, составляющей горную массу; гранулометрический состав отсыпаемой горной массы, выражаемый выходом отдельной фракции, ; высота отвала Н; форма куска скального материала, отсыпаемого в отвал, выражаемая динамическим коэффициентом формы kф ; параметры шероховатости наклонной поверхности откоса отвала: dп - диаметр поры шероховатой поверхности, hш - высота неровности шероховатой поверхности.

На основе теоретической модели построены кумулятивные кривые выхода кусковой фракции горных пород по высоте отвала, соответственно, 15 и 30 м, кривые распределения гранулометрического состава пород по тем же высотам, а также гистограммы распределения грансостава горной массы по вышеприведенным параметрам отвалов (рис. 6). Сравнительный анализ полученных графиков показывает значительное отличие распределения гранулометрического состава по высоте отвала на разной высоте. Расчеты проведены для случая отсыпки автосамосвалами грузоподъемностью G = 30 т.

Согласно полученным результатам можно сделать следующие выводы:

- распределение скальных пород по гранулометрическому составу на откосе насыпных объектов связано с высотой отвала;

- большая высота отвала при отсыпке определенной емкостью горно-транспортного оборудования приводит к достижению большей величины размера среднего куска в нижней его части. Это связано с тем, что влияние факторов шероховатости и свойств сыпучей массы, выгружаемой из транспортных емкостей, приводит к потере потока по следующим причинам :

G = 30 т H = 30 м (0,2:0,45:0,8 = 0,6:0,3:0,1)

мелкие фракции, соразмерные с параметрами шероховатости, остаются в порах, а более крупные - на поверхности за счет сил трения.

Гранулометрический состав горной массы, отсыпаемой под откос отвалов, определяет распределение размера кусков по высоте насыпных объектов. С целью исследования влияния этого фактора на процесс сегрегации выполнены расчеты на основе математической модели, построены кривые распределения гранулометрического состава пород по высоте насыпных тел и гистограммы.

Рисунок 6 - Гистограммы распределения скальных пород по крупности на откосе отвала

Сравнительный анализ полученных графиков показывает значительное отличие распределения гранулометрического состава горной массы на откосе отвала в зависимости от соотношения кусков отсыпаемого материала в исходной отгружаемой массе. Анализ проведен для случаев отсыпки из автосамосвалов грузоподъемностью 30 и 120 т.

Динамика изменения размера среднего куска по длине откоса в зависимости от соотношения фракций в исходной горной массе подчиняется следующей закономерности (рис. 7):

- изменение размера среднего куска () при исходном соотношении фракций в исходной отсыпаемой массе (0,2 : 0,45 : 0,8 = 60 : 30 : 10) происходит медленно до уровня высоты откоса h/H = 0,4 0,7. После этого происходит резкое повышение показателя до своего предельного уровня;

- динамика изменения показателя для соотношения (0,2:0,45:0,8 = 33:33:33) характеризуется более плавным и последовательным повышением показателя и достижения своего предельного уровня;

- динамика изменения показателя для исходного соотношения горной массы (0,2:0,45:0,8 = 10:30:60) при ее отсыпке под откос отвала характеризуется практически линейным и менее резким повышением показателя.

Рисунок 7 - Изменение размера среднего куска пород () по высоте откоса отвала при разном гранулометрическом составе (G =30 т)

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- гранулометрические характеристики исходной горной массы, отсыпаемой под откос отвалов, определяют процесс ее сегрегации;

- соотношение фракций горной массы в отсыпаемом под откос отвалов материале определяет динамику изменения размера среднего куска по высоте насыпного объекта. Эта закономерность связана с высотой отвалов и параметрами горнотранспортного оборудования.

Влияние параметров горно-транспортного оборудования на процесс сегрегации горной массы. К параметрам горно-транспортного оборудования, влияющих на процесс сегрегации сыпучего материала, относятся: ширина кузова автосамосвала b; ширина лемеха бульдозера bлем; вместимость кузова автосамосвала Vк; высота лемеха бульдозера hлем.

К кинематическим характеристикам, зависящим от параметров горнотранспортного оборудования, можно отнести: скорость выгрузки горной массы из кузова автосамосвала ; скорость перемещения массы бульдозера vлем; производительность выгрузки автосамосвала Qo ; производительность сдвижки бульдозером Qб.

С целью изучения влияния параметров горно-транспортного оборудования на процесс сегрегации выполнены расчеты на основе математической модели и построены кумулятивные кривые выхода кусковой фракции горных пород по высоте отвалов (Н = 15 и 30 м) при отсыпке их автосамосвалами грузоподъемностью G =30 и 120 т.

Сравнительный анализ графиков показывает значительное отличие распределение гранулометрического состава горной массы на откосе отвала в зависимости от параметров горно-транспортного оборудования. Наименьший размер среднего куска в нижней части отвала (Н = 50 м) достигается при отсыпке большегрузными автосамосвалами (120 и 200 т). Наибольший размер среднего куска в нижней части отвала достигается при отсыпке автосамосвалами меньшей грузоподъемности (G = 30 т). Согласно полученным результатам можно сделать следующие выводы:

распределение горных пород по гранулометрическому составу на откосе отвалов зависит от грузоподъемности автосамосвалов;

большая грузоподъемность автосамосвала, связанная с большей производительностью и скоростью выгрузки, приводит к тому, что мелкие фракции не успевают задерживаться на шероховатой поверхности откосов отвалов и имеют большую вероятность попадания в нижнюю часть отвалов. Напротив, отсыпка отвалов автосамосвалами меньшей грузоподъемности cопровождается большей разделительной способностью поверхности откосов, связанной с повышенной вероятностью удержания кусков на пористой поверхности и низкими кинематическими характеристиками выгрузки автосамосвалов с G = 30 т;

бульдозерная сдвижка горных пород под откос отвала соответствует по своим кинематическим характеристикам отсыпке автосамосвалами грузоподъемностью G = 30 т. Поэтому закономерности сегрегации, установленные при отсыпке горных пород автосамосвалами грузоподъемностью 20 - 40 т, идентичны закономерностям при бульдозерной сдвижке.

Исследование влияния формы кусков горной массы на процесс сегрегации. При решении задач сегрегации сыпучей горной массы на отвалах фактор «лещадности», или неоднородности размеров в поперечном сечении куска, оказывает влияние на процесс спонтанного разделения пород по грансоставу на откосе насыпных тел. В разработанной теоретической модели фактор формы куска выражается динамическим коэффициентом kф, определяемым по формуле (6).

Момент инерции вращения куска произвольной формы связан с величиной эксцентриситета , определяемого как отношение малой полуоси эллипсоида или параллелепипеда к большей. С целью изучения влияния формы кусков горной массы на процесс сегрегации выполнены расчеты на основе математической модели для условий Н = 30 м, G = 30 т, kФ = 0,46 (= 0,3); 0,58 ( = 0,62); 0,84 ( = 1,0), при этом форма кусков принималась в виде прямоугольного параллелепипеда. По данным расчетов построены кривые распределения грансостава горной массы на откосе отвала. Полученная зависимость позволяет сделать следующие выводы:

форма кусков в исходной горной массе, отсыпаемой на откос отвалов, определяет распределение пород по гранулометрическому составу на поверхности насыпных объектов;

- низкий коэффициент формы куска kф = 0,46, связанный с меньшим значением эксцентриситета , определяет низкую скорость движения частиц по откосу отвала. Это приводит к тому, что более мелкие куски, имея большую вероятность задержки на пористой поверхности отвала, в меньшей степени достигают нижней части насыпного тела, чем крупные куски.

В этом случае размер среднего куска в нижней части отвала достигает своего максимального значения ( = 0,8 м);

- высокое значение коэффициента kф = 0,84 (форма прямоугольного параллелепипеда) и = 1 определяет более высокую скорость движения частиц по откосу отвала. Это приводит к тому, что более мелкие и средние куски, имея меньшую вероятность задержки на пористой поверхности отвала, достигают нижней части насыпного тела. В этом случае размер среднего куска в нижней части отвала минимален, поскольку здесь содержатся наряду с крупными фракциями и более мелкие;

- повышение содержания крупных фракций в исходной горной массе, отсыпаемой на откос отвала, усиливает фактор «лещадности» в процессе сегрегации пород на насыпных объектах.

Исследования подтвердили, что фактор «лещадности» оказывает большое влияние на процесс сегрегации горной массы по высоте отвала. Таким образом, первое научное положение следует считать доказанным.

Исследование влияния показателя Н/dmax на процесс сегрегации горной массы в насыпных объектах. Теоретическими исследованиями установлено влияние горнотехнических факторов, гранулометрического состава выгружаемой исходной горной массы, параметров горно-транспортного оборудования на процесс сегрегации горной массы по откосу отвалов. Установленные закономерности могут быть универсальными, если в качестве аргумента функции вероятности Р того, что куски горной массы крупностью d останутся на некоторой высоте h отвала, принимается нормированный показатель Н/dmax , где Н - высота отвала, dmax - максимальный размер куска. Это определяет использование разработанной математической модели и проведение физических экспериментов для изучения сегрегационных процессов, происходящих при формировании насыпных объектов разной высоты и крупности материала. В конечном итоге данное обстоятельство служит основой для разработки направлений дальнейшего исследования и принятия практических решений в технологии отвалообразования.

С целью изучения влияния показателя Н/dmax на сегрегационный процесс, происходящий при отсыпке отвалов, выполнены расчеты и построение кумулятивных кривых выхода кусковой фракции горных пород по высоте отвала и кривых распределения гранулометрического состава горных пород по высоте отвала. Расчеты выполнены на основе разработанной математической модели для следующих соотношений параметров: Н=15, 30, 60 м, dmax = 0,5, 1,0, 2,0 м.

Сопоставление графиков показывает высокую сходимость полученных результатов при одном и том же соотношении Н/dmax .

Полученная закономерность позволяет сделать следующие выводы:

- показатель Н/dmax является универсальным для изучения сегрегационных процессов на откосах отвалов и отражает внутренние закономерности масштабного подобия геометрических и кинематических характеристик, участвующих в процессе сегрегации горных пород на шероховатой наклонной поверхности насыпных объектов;

- использование нормированного показателя Н/dmax может служить основой для дальнейших исследований: физического и математического моделирования.

Таким образом, второе научное положение следует считать доказанным.

Исследование влияния характеристик трения горной массы на процесс сегрегации. Параметр внутреннего трения является важнейшей общей физико-технической характеристикой любого сыпучего тела. Угол или коэффициент внутреннего трения прежде всего представляют собой величину, связанную с сопротивлением сыпучего тела сдвигу. В реальных сыпучих телах имеет место не только трение, но и сцепление между частицами.

На характеристики трения и сцепления горной массы существенное влияние оказывают плотность и влажность пород, степень окатанности и форма частиц, а также гранулометрический состав сыпучего материала.

Физико-технические свойства сыпучего материала определяют характер движения его при выгрузке из транспортного сосуда или бульдозерной сдвижке. Кинематические показатели движения горной массы (скорость и производительность выгрузки) зависят от насыпной плотности материала и коэффициента внутреннего трения .

Полученные на основе разработанной математической модели сегрегации закономерности позволяют сделать следующие выводы:

- характеристики трения и сцепления горной массы, отсыпаемой на откос отвалов, влияют на распределение кусков по гранулометрическому составу на шероховатой поверхности насыпных объектов;

- меньшая плотность сыпучего материала, а также больший угол его внутреннего трения определяют уменьшение скорости движения частиц по откосу отвала. В конечном итоге это отражается на изменении размера среднего куска по высоте отвала. Больший размер среднего куска связан с меньшей насыпной плотностью сыпучего материала и более высоким значением угла его внутреннего трения.

Использование явления сегрегации при решении горнотехнических задач

Исследования показали, что главным фактором при определении коэффициента разрыхления в сыпучей массе является соотношение между различными фракциями смеси, а не размер среднего куска в этой смеси. Для смесей, состоящих из трех и более фракций, численное значение коэффициента разрыхления Kp может быть определено итерационным методом, выполняющимся по следующей схеме:

- фракции сыпучего материала ранжируются в порядке возрастания крупности частиц;

- рассчитывается коэффициент разрыхления Kp бинарной смеси первой и второй фракций по формуле

,

где А - эмпирический коэффициент, определяемый по формуле

;

Pк - доля крупной фракции в бинарной смеси, дол.ед.;

Крм, Крк - соответственно, коэффициенты разрыхления мелкой и крупной

фракций;

dм, dк - соответственно, размер мелкой и крупной фракций;

- полученная бинарная смесь является фракцией-заполнителем для третьей, более крупной, фракции. Для составляемой смеси расчет коэффициента разрыхления Kp производится по схеме совокупного участия коэффициента разрыхления смеси мелкой фракции (Крм) и коэффициента разрыхления крупной фракции Крк в данной бинарной схеме ;

- расчет Кр ведется в итерационном режиме до последней, самой крупной, фракции в смеси.

Разрыхленность горной массы (Кр) влияет на степень состояния устойчивости откосов отвалов и их фильтрационную способность.

...