Системний підхід до вирішення проблеми створення науково-прикладних основ механо-гідравлічної технології видобутку бурштину

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системний підхід до вирішення проблеми створення науково-прикладних основ механо-гідравлічної технології видобутку бурштину

Лустюк М.Г.

Наведене обґрунтування системного підходу до вирішення проблеми створення науково-прикладних основ механо-гідравлічної технології видобутку бурштину.

The ground of systems approach is resulted to the decision of problem of creation of the scientifically-applied bases of mechanical and hydraulic technology of booty of amber.

Системний підхід є методологічним принципом наукового дослідження матеріального світу, при якому об'єкт дослідження розглядається як складна система, що складається з безлічі елементів, об'єднаних між собою внутрішніми зв'язками.

Під елементами системного підходу розглянутої проблеми вважаються елементи систем опробування і розробок як умовно неподільні, а характер взаємозв'язку між ними не виявлений. Висновок неподільності елементів викликаний наступними основними причинами: не розроблена теорія плинності рідини на молекулярному рівні, що могла б служити ядром для створення універсальних теорій елементів систем, таких як: самопливного гідротранспорту, вилучення корисного компонента з тріщин підстилаючих порід, самопливного гідротранспорту, вилучення корисного компонента з тріщин підстилаючих порід, самопливного гідротранспорту через штучну перешкоду; не розроблена єдина теорія гідравлічного руйнування (дезінтеграції). З цих причин названі елементи систем у перспективі будуть розглянуті як самостійні системи з безліччю неподільних структурних одиниць на більш високих структурних рівнях матерії, що є предметом подальших досліджень.

На цій підставі дані дослідження відбивають не стільки фізичну сутність явищ, які протікають в елементах систем, а мають сувору цілеспрямованість пов'язану з виявленням механізму утворення втрат корисного компонента в динаміці розвитку елементів.

На думку дослідників [1, 2 і ін.], системний підхід до вирішення проблеми повинен містити наступні стадії: пізнавальну - вивчення сьогодення і майбутнього стану проблеми, як складної динамічної системи; цільову - формулювання головної мети; структурну - створення системи, як сукупності комплексу елементів, технічних засобів і технологічних способів, об'єднаних між собою внутрішніми зв'язками, які варто виявити і вирішити; наукову - розробка наукових положень і основ елементів для досягнення поставленої мети; практичну - розробка і впровадження технології, технічних засобів і технологічних способів для досягнення поставленої мети; заключну.

Пізнавальна, інформаційна стадія - вивчення сьогодення і майбутнього стану проблеми, як складної динамічної системи, розглянута в розділах, обмежених рамками досліджень.

Стадія мети. Мета - це очікуваний, бажаний стан системи, що обов'язково припускає досягнення заздалегідь визначеного результату. За охопленням досліджень мету, сформовану у вступі, можна класифікувати як міжгалузеву, за значенням як глибокі перетворення в розвитку техніки і технології розвідки, пробної експлуатації і розробки родовищ на основі впровадження нових прогресивних систем.

Структурна стадія. Аналіз вітчизняних і закордонних літературних джерел з досліджуваної проблеми виявив їх характер як невирішених і встановив напрямок їх вирішення - науково-обгрунтований, що базується на положеннях геологічної, гірничої й економічної наук з використанням систем наукових методів: системного аналізу і теорії інформації, математичної статистики, моделювання (фізичного і ідеального); прогнозування (на основі методів екстраполяції, експертизи); техніко-економічного аналізу і узагальнення виробничого досвіду; методів: механіки гірських порід, аналогії розрахунків по варіантах, натурного експерименту і промислових випробувань.

Проблемність питання пошуку нових, удосконалення існуючих і класифікації систем опробування і розробок полягає в його нерозв'язаності, викликаній відсутністю систем щодо родовищ бурштину, золота і алмазів, їх систематизації і встановленні єдиної яскраво вираженої класифікаційної ознаки. Вибір раціональних систем опробування і розробок на підставі економічних критеріїв в рамках обмеження - є логічним завершенням досліджень і базується на основних положеннях техніко-економічної оцінки вилучення корисних копалин з надр, розроблених під керівництвом академіка М.І. Агошкова [3].

На цій підставі синтез структурної стадії вирішення проблеми визначається переліком питань, який необхідно вирішити для реалізації поставленої мети, тобто встановити задачі досліджень.

Наукова стадія. Під науковими основами систем опробування і розробок у широкому змісті мається на увазі сукупність теорії вирішення відомих елементів систем і таких, розробка яких повинна бути вирішена.

Стадія визначає розробку наукових положень, виявлення наукової новизни досліджень, визначення основної наукової ідеї вирішення проблеми.

Практична стадія - включає практичні результати і рекомендації, отримані при виконанні комплексу теоретичних, експериментальних і промислових випробувань.

Заключна стадія включає висновок про виконані дослідження в рамках проблеми, намічаються задачі подальших досліджень.

Методика розрахунку затопленого гідромоніторного струменя. В основу методики розрахунку затопленого гідромоніторного струменя покладені результати експериментальних досліджень особливостей течії струменя свердловинного гідромонітора. Механо-гідравлічний видобуток застосовується для розробки пухких і слабосцементованих, в основному, водонасичених, піщано-глинистих порід, міцність яких характеризується опором зрушення:

ф_s=с₀+у_еtgц, (1)

де с₀ і tgц - зчеплення і коефіцієнт внутрішнього тертя породи; у_э - ефективна напруга: у_э=у-р_гідр, Н/м²; у - нормальне навантаження на породу, Н/м²; р_гідр - поровий тиск (тиск у вільній воді, що утримується в порах породи), Н/м², у = г_твН, МПа.

Руйнування водонасиченої піщано-глинистої породи відбувається впливом на неї сили, рівної опору зрушення, тобто

Р_у? ф_s (2)

де р_у - питома сила удару, МПа. У випадку впливу на породу гідромоніторним струменем питома ударна сила буде:

МПа (3)

де Р_{ст -} сила удару струменя, Н; s - площа перерізу струменя на контакті із породою руйнування, м².

Із гідромеханіки відомо, що сила удару гідромоніторного струменя на плоский забій визначається з виразу:

Н (4)

де и₀ - середня швидкість потоку струменя, м/с; V - секундна витрата води по даному перерізу, м³/с; г_в - густина води, кг/м³; g - прискорення сили тяжіння, м/с²; а - кут між віссю струменя і напрямком розтікання її після зустрічі із вибоєм, градус. Для визначення сили удару струменя в затопленій камері на різних віддалях насадки розглянемо закономірності зміни середньої швидкості струменя і секундної витрати води по її довжині.

Досліди показали, що внаслідок витікання гідромоніторного струменя в затоплену камеру швидкість потоку води по довжині її в міру віддалення від насадки різко зменшується. Експериментальні дані для різних діаметрів насадок добре описуються гіперболічним рівнянням виду:

(5)

де и_т - швидкість струменя по його осі, м/с; и₀ - початкова швидкість витікання струменя з насадки (м/с) з радіусом вихідного отвору r_н, м; l - відстань від насадки до вибою, м; а - коефіцієнт структури потоку струменя.

Для затопленого вільного струменя при відсутності гідростатичного тиску (до 0,01 МПа) а₀=0,0625. Значення коефіцієнта а залежно від р_гідр, за експериментальними даними, визначається за формулою:

(6)

де т=; п -- дослідна величина, обумовлена залежно від значення р_гідр:

р_гідр, МПа........... 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0

1,870 1,471 1,002 0,561 0,20

р₀=р-Др_с+р_z- Др_г, м вод. ст. (7)

де р - тиск води, що розвивається насосом; Др_с - втрати тиску, викликані гідравлічним опором при течії води по трубопроводу:

Др_с=R_cQ², м вод. ст. (8)

де R_с - коефіцієнт гідравлічного опору різних елементів трубопроводу (коліна, засувки, розширення і звуження, прямолінійні ділянки), який визначається за довідниками [4]; Q - подача насосу, м³/с; р_гідр - гідростатичний тиск стовпа води.

р_гідр=г_вН, м вод. ст. (9)

де Н - геодезичне перевищення насосу над насадкою, м; Др_г - втрати напору в гідромоніторі (визначаються або експериментально, або обчислюються як сума складових втрат напору в різних його елементах).

Швидкість потоку струменя по перерізу змінюється від нуля до осьової и_т, тому для практичних розрахунків приймається середнє значення [5]:

механічний гідравлічний видобуток бурштин

u=0,52u_m,, м/с (10)

Для практичних розрахунків розподіл швидкості потоку за різними перерізами струменя зручно представити у вигляді безрозмірної залежності:

(11)

Із задовільною для практичних цілей точністю в межах основної ділянки струменя значення r_о,5и_т можна визначити із співвідношення [5]:

м (12)

Таким чином, користуючись залежностями (10) і (11), можна визначити швидкість потоку в межах основної ділянки струменя в будь-якій точці її перерізу. Секундна витрата води по даному перерізу визначається з виразу

м³/с (13)

Користуючись залежностями (4), (5) і (13), можна визначити силу удару затопленого струменя. Для обчислення питомої сили удару необхідно знати площу поперечного перерізу струменя на різних виддалях від насадки:

s_ст =рr²_cт, м² (14)

Ступінь розширення затопленого струменя в межах основної ділянки практично величина постійна (за дослідними даними) і характеризується відношенням [5]:

тобто кут між границею струменя і її віссю на основній ділянці дорівнює и?12^о30'. Знаючи закономірності зміни середньої швидкості и, витрати потоку V і перерізу струменя s по його довжині для конкретних гірських порід можна обчислити відстань від насадки до вибою, де можливе руйнування із застосуванням наявних гідромонітора і насоса.

Методика розрахунку продуктивності гідравлічного руйнування. Під продуктивністю гідравлічного руйнування розуміється об'єм породи за одиницю чистого добувного часу. В цьому випадку продуктивність руйнування П визначається як відношення витраченої енергії струменя води Е за одиницю часу до питомої енергоємкості процесу руйнування порід даної міцності:

т/год або т/год (15)

де Q - витрата води, м³/с; р_о - тиск води, МПа; е - питома енергоємкість процесу руйнування порід, кВт·год/т.

На даний час відсутні встановлені залежності питомої енергоємкості руйнування гірських порід від їх характеристик міцності. Тому для конкретних порід дослідним шляхом в натурних умовах отримують залежність продуктивності руйнування від тиску і витрати води. Н.Ф. Цяпко для вугілля Кузбасу (ѓ=0,8-1,2) цю залежність одержав у вигляді рівняння [6]:

т/год (16)

де А - дослідний коефіцієнт, залежний від міцності вугілля (для вугілля шару Інського I-III А=1,2, для Полисаєвського ІІ -1,7).

При відбиванні міцного вугілля Донбасу (ѓ=1,12-1,45) залежність (16) в міру збільшення тиску води зростає повільніше [7]:

П=А₁d_н²р_о^{1, 5,}т/год, (17)

де А - дослідна постійна.

При дослідженні МГД Клесівського родовища бурштину (у_сж=0,5-2 МПа) встановлена майже лінійна залежність продуктивності руйнування від тиску води:

П=kр_о^,т/год, (18)

де k - дослідна постійна, залежна від діаметра насадки; для d_н=11, 15, 23 мм k відповідно дорівнює 1,2; 2; 4,8. В останні роки було безліч спроб в ці емпіричні залежності включити природні і технологічний фактори. Наприклад, ДонУГІ пропонує формулу середньої продуктивності [7] залежно від кута падіння, потужності шару, характеру вибою і т.д.

Питома енергоємкість визначається як відношення потужності струменя до продуктивності:

е=кВт·год/т. (19)

Питома витрата напірної води

q=м³/т. (20)

Більш повне уявлення про питомі витрати води на руйнування q дає його залежність від питомого динамічного тиску струменя на контакті з вибоєм р_т, отримана в роботі [8]:

q=м³/м³. (21)

де М - дослідний коефіцієнт, залежний від умов застосування гідравлічного руйнування у вибої; n - дослідний показник ефективності гідравлічного руйнування.

Методика розрахунку ґрунтового насоса для гідротранспортування закладочного матеріалу у вироблені простори виїмних камер. Годинною продуктивністю по твердому задаються. Дальність транспортування, рельєф місцевості, гранулометричний склад закладного матеріалу і його властивостей є величинами, визначеними для даного родовища. Знаючи гранулометричний склад, густину і міцнісні властивості, можна задатися питомими витратами води на руйнування одиниці об'єму [9].

Тоді розрахунок зводиться до наступного.

1. Годинна продуктивність насоса по гідросуміші:

м³/год (22)

де Q_тв - годинна продуктивність по твердому, м³/год; т - пористість руди, %; q - питома витрата води, м³/м³.

2. Густина гідросуміші буде

 кг/м³ (23)

де г_тв - густина в масиві, кг/м³.

3. Величина критичної швидкості гідросуміші перевіряється за формулою:

м/с (24)

де g = 9,81 м/c²; г_в. г_г - густини води і гідросуміші, кг/м³; К - емпіричний коефіцієнт для породи К ?1,4; Ш - коефіцієнт опору при вільному падінні в середовищі густиною с_ср (кг/м²) твердої частки діаметром d (м), густиною с_тв (кг/м³) зі швидкістью W (м/c):

(25)

л_о - коефіцієнт гідравлічного опору при русі по трубопроводу чистої води. Для відшліфованих грунтом труб

(26)

С₁ - коефіцієнт, що враховує ваговий вміст дрібних класів (дрібніше 2 мм):

для умови 15%?R?100%

для умови 0?R?15%

При транспортуванні кускового матеріалу R=0 і С=1. При малих значеннях коефіцієнта С (С<0,3ч0,4) значення и_кр слід збільшувати на 15-20%.

Значення W визначається за формулою Ріттенгера:

м/с (27)

де для кварцу с_тв=2,65 кг/м³, а=29.

Для практичних цілей можна скористатися формулою:

(28)

4. Розрахунковий діаметр пульпопроводу

м (30)

При заданій продуктивності по гідросуміші Q_г обраний діаметр пульпопроводу D повинен забезпечити гідротранспортування гідросуміші із швидкістю більшою за критичну и_кр, т. е. и?и_кр.

5. Величина фактичної швидкості гідросуміші в пульпопроводі

, м/с (31)

Якщо и>и_кр, то приймаємо попередньо обраний діаметр пульпопроводу.

Якщо ж и<и_кр, то підбираємо розрахунками D так, щоб и>и_кр.

6. Необхідний напір насоса:

 (32)

де

h_м - місцеві втрати [4]; h_геод - геодезичне перевищення початку і кінця пульпопроводу; h_вс - опір всмоктуючої лінії; h_ост - залишковий напір на кінці пульпопроводу. Можна приймати А_м=0,1 Ц; А_ОЗт=5 м.

7. Вибираєтьcя тип і кількість насосів.

8. Споживана потужність насоса:

, кВт, (34)

де з = 0,7 - к. к. д. насоса.

Отож: 1. Аналіз існуючих класифікацій систем розробок виявив нерозв'язаність питання через відсутність єдиної думки дослідників відносно класифікаційної ознаки, яскраво вираженої для всіх класів систем.

2. Для виконання досліджень елементів систем запропоновано комплекс наукових методів, який включає: натурний експеримент - для гідродинаміки затоплених струменів; гідравлічного руйнування корисної копалини в затопленому середовищі; ерліфтного підйому пульпи.

3. На основі аналізу отриманих результатів рекомендуються до використання методичні рекомендації, виявлені вперше: методика розрахунку затопленого гідромоніторного струменя. З використанням отриманих даних в наступних розділах будуть обгрунтовані ефекти кумуляції і дефляції для дезінтеграції відбитої корисної копалини; методика розрахунку продуктивності гідравлічного руйнування, результати якої знайшли відображення в порівнянні і виборі систем опробування і розробок методів МГД і СГД; методика розрахунку грунтового насосу для гідротранспортування закладочного матеріалу у вироблені простори виїмних камер.Результати методики знайшли відображення в циклограмі відпрацювання ділянок родовища бурштину методом МГД.

Література

1. Афанасьев В.Г. Программно-целевое планирование и управление. М., Знание, 1981.

2. Добров Г.М. Прогнозирование науки и техники. М., Наука, 1969.

3. Агошков М.И. Разработка рудных месторождений. М., Металлургиздат, 1954.

4. Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г. Киселева. М., Энергия, 1972.

5. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М., Физматгиз, 1960.

6. Цяпко Н.Ф., Гефт Ю.Б., Плетнев О.Н К вопросу выявления резервов производительности гидромонитора и энергоемкости гидроотбойки. - В кн.: Вопросы гидравлической добычи угля. Вып. XIII, Новокузнецк, 1968 (ВНИИГидроуголь).

7. Кривченко А.А. Экспериментальные исследования гидроотбойки угля на гидрошахтах Донбасса. - В кн.: Вопросы добычи угля гидравлическим способом, Вып. 30. М., Госгортехиздат, 1963.

8. Хныкин В.Ф., Хузин Ю.Ш., Триандафилов М.С. Гидровскрышные работы на карьерах горнорудной промышленности. М., Недра, 1973.

9. Научные основы гидравлического разрушения углей / Г.П. Никонов, И.А. Кузьмич и др. М., Наука, 1973.

Размещено на Allbest.ru