CC BY
41
© В.Ж. Дрене, В.П. Шевченко, 2008
УДК 622.648
В.Ж. Аренс, В.П. Шевченко
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ ГОРНОЙ МАССЫ ОТКРЫТЫМ ПОТОКОМ
Семинар № 19
В горном деле под гидравлическим транспортом понимается процесс перемещения твердых частиц горных пород в потоке воды по почве горных выработок, желобам или трубам. Разработка некоторых месторождений создает все необходимые условия для осуществления поточного гидравлического транспортирования полезных ископаемых от забоя до обогатительной фабрики, либо непосредственно потребителю.
Самотечный гидравлический транспорт является обязательным и важнейшим составным звеном технологической схемы гидравлического способа разработки месторождений полезных ископаемых в настоящее время широко используемого в горной промышленности.
Особенно широко он применяется в горном деле при разработке золотоносных россыпей. Обычно транспорт горной массы открытым потоком применяется в комплексе с напорным транспортом, что резко расширило границы применения метода. Гидромеханизация широко применяться на гидротехническом строительстве, на открытых работах, в угольных шахтах и на некоторых рудниках, для смыва рудной мелочи в очистных камерах.
Наиболее наглядным и очевидным преимуществом самотечного гидротранспорта является то, что горная масса попадая в лоток, в забое либо в пункте загрузки / находящемся где-то
вблизи забоя / следует дальше до места подъема без всяких перегрузок вне зависимости от отклонений направления выработок.
При сравнении с другими видами транспорта самотечный гидротранспорт обладает рядом крупных достоинств. Это, прежде всего большая производительность потока воды. Отсутствие каких-либо механизмов, простота и дешевизна оборудования, а, следовательно, и надежность, и безаварийность в работе, возможность быстрого обнаружения закупорок и легкость их ликвидации. При наличии достаточного уклона - неограниченная дальность транспортировки. Возможность обогащения в процессе транспортировки. Отсутствие дополнительного расхода электроэнергии на транспорте горной мессы и, наконец, практически полная безопасность работы особенно при разработке угольных месторождений. Здесь же можно отметить гибкость, маневренность и непрерывность самотечного гидротранспорта, осуществляемого без перегрузок на большие расстояния, возможность высокой степени автоматизации простота увязки транспорта и легкая приспосабливаемого к условиям современных механизированных комплексов на горных предприятиях. Особенно эффективно применение самотечного гидротранспорта при большом водопритоке.
Недостатки самотечного гидротранспорта: зависимость эффективности применения от физико-механических свойств перемещаемых горных пород; значительные расходы воды; трудность, а иногда не целесообразность работ на поверхности в зимних условиях; повышенная влажность, а, следовательно, необходимость обезвоживания транспортируемого материала.
Хотя гидротранспорт для перемещения горной массы в открытых потоках применяется давно, однако в основном изучалось движение в открытых потоках мелкоизмельченных горных пород, а имеющиеся рекомендации - по расчету параметров транспортирования рядовой горной массы носят частный характер.
Ниже приведены результаты исследований по изучению характеристик движения кусковых полиметаллических руд в открытом потоке с целью установления особенностей их движения в системах самотечного гидравлического транспорта.
Процесс движения гидросмеси, представленной кусковыми горными породами, является очень сложными и его изучение методически правильно начать с рассмотрения более простого случая - движения в открытом турбулентном потоке жидкости одиночных кусков, размер которых соизмерим с размерами потока. Важно определить условия трения кусков руды о твердые границы потока, скорость трогания различных образцов, относительные скорости перемещения их в потоке жидкости.
По величине скорости трогания можно судить об условиях гидромеханического воздействия потока на куски руды в момент начала поступательного движения. Влияние данного фактора на величину скорости трогания до настоящего времени не исследовалось.
Относительная скорость перемещения твердых образцов в потоке жидкости является важнейшей кинематической характеристикой движения гидросмеси, которой определяется условиями взаимодействия жидкости и твердых тел. Кроме того, до настоящего времени не имеется экспериментальных данных об относительных скоростях движения кусковатых материалов в открытых потоках гидравлического транспорта.
При самотечном транспортировании руды большинство кусков перемещается скольжением по дну желоба. От величины коэффициента трения в большой степени зависят скорости трогания и относительные скорости перемещения кусков в потоке жидкости. Поэтому для определения коэффициентов трения образцов проведено специальное исследование.
Основной методической предпосылкой, положенной в исследование, является изучение характеристики движения одиночных крупных образцов в потоке и анализ полученных измерений на основе теории подобия и размерности.
Экспериментальные исследования по изучению основных характеристик движения в открытом потоке выполнялись на экспериментальном стенде, состоящем из: центробежного насоса типа 8 Нф, вакуум-насоса, трубопровода, желобов, грохота, зумпфа, ленточного конвейера, породного бункера и мерного бака. Экспериментальный участок желобов, общей длиной 17 м, состоит из трапециидаль-ных желобов сечением по низу 500 мм и высотой 300 мм. Желоба смонтированы строго прямолинейно на пяти регулируемых по высоте опорах.
При работе установки насос забирает воду из зумпфа и подает ее по напорной магистрали /трубы 150 мм/
Фракции, Формы образцов
мм Кубоподобные, в % Параллелепипедоподобные, в % Плоекие, % Ромбоподобные, %
25-50 26,62 25,4 16,74 31,24
50-100 34,7 26,8 20,00 18,50
100-150 22,7 25,3 24,00 28,00
150-250 31,8 28,2 13,60 26,40
250-350 46,4 18,2 13,60 21,80
В среднем 32,5 25 17,6 25
в смесительную камеру и далее, пройдя по желобам, вода снова попадает в зумпф. Руда из бункера подается ленточным конвейером ЁТ-10 в голову лотка, где, смываясь водой, транспортируется по желобам. На грохоте руда +25 мм соскальзывает в приемный бункер ленточного конвейера, который поднимает ее снова к смесительной камере, а рудная мелочь, смешиваясь с водой, подается в желоб насосом.
Количество подаваемой воды определялось объемным способом. А так же с помощью трубок вентури, дифмонометров ДМ-6 и электронным потенциометром ЭПИ-Д-02.
Для исследования использовались рядовые полиметаллические руды Миргалимсайского рудника, из которых были отобраны образцы различной формы и веса. При выборке отдельные образцы условно делились на тела подобные кубу, параллелепипеду, ромбу и плитке. В табл. 1 приведено процентное содержание кусков различной формы в рядовой руде.
Из табл. 1 следует, что процентное содержание различных кусков во всех фракциях примерно одинаково, хотя можно заметить некоторую тенденцию к увеличению содержания кубоподобных образцов и уменьшения, ромбовидных по мере увеличения кусковатости.
Для каждого из отобранных образцов выполнялись измерения ли-
нейных размеров Ь, 1, Ь, объема, веса, миделево сечения. Все полученные данные фиксировались, а образцы маркировались. Всего было отобрано и обмерено более 180 образцов.
Линейные размеры образцов измерялись максимальные и средние. Определение миделевого сечения образцов производилось посредством проектирования миделевого сечения исследуемых образцов на экран. Площадь этого сечения определялась планиметром с точностью до 1 мм2. Коэффициент трения образцов руды о металлический и эмалированный желоб определялись в разных условиях: по сухому, мокрому и помещенному в воду желобу. Во избежание ошибок для каждого образца опыты по определению коэффициента трения повторялись 8-10 раз.
Все данные по определению коэффициентов трения сводились в таблицы и с целью установления точности измерений нами выполнялись статистические обработки данных -определялись дисперсии и коэффициенты вариаций. Вычисления показали, что значения коэффициентов вариации измерений коэффициента трения для всех опытов колебалось в пределах 9-13 %.
Полученные средние данные коэффициентов трения сведены и табл. 2.
Из табл. 2 видно, что коэффициент трения по металлическому желобу больше, чем по эмалированному при-
Эмалированный желоб
Металличеекий желоб
Сухой Смоченный В воде Сухой Смоченный В воде
0,313 0,419 0,504 0,424 0,565 0,650
мерно на 25 %. Увеличение коэффициента трения по мокрому и опущенному в воду желобу по сравнению с сухим объясняется отсутствием гидро-фобности желобов и руды, т.е. тонкие слои воды, прилегающие к желобу и образцу взаимным сцеплением увеличивают коэффициент трения.
Определение скорости трогания каждого образца производились на измерительном участке экспериментальной установки в восьми метрах от начала лотков. Предварительно точно вымерялся уклон желоба. Исследуемый образец ориентировался заданным миделевым сечением по направлению к набегающему потоку. Задвижка, предварительно протариро-ванная, плавно открывается до тех пор, пока образец не сдвинется с места. В момент сдвига образца замерялся расход воды и глубина потока и по этим данным определялась средняя скорость потока в лотке. Опыты для каждого образца повторялись 610 раз. Определение скорости трогания делались для образцов различной формы и веса на уклонах установки от 0,03 до 0,15.
Относительные скорости движения образцов при заранее установленных средних скоростях движения потока определялись по измерениям с помощью киносъемки со скоростью хода ленты в 24 кадра в секунду, опыты проводились со всеми теми образцами, для которых определялись скорости трогания и коэффициенты трения.
Все измерения по определению скоростей трогания образцов сводились в таблицы. Для установления точности измерений все данные под-
вергались статистической обработке. Расчеты показали, что значение коэффициентов вариаций измерений в опытах колеблются от 12 до 25%. Столь большие колебания объясняться, вероятно, небольшой точностью измерений и разностью поверхностей граней образцов.
Установлено что для трогания образцов различной формы при одинаковых уклонах требуются различные скорости потока. Воздействию потока легче всего поддаются кубоподрбные образцы. Подобные же ромбу, из-за своих острых граней, больше других сопротивляются воздействию потока и, чтобы их сдвинуть с места, требуется наибольшая скорость потока. Величина скорости трогания резко возрастает для образцов с миделевым сечением до 0,01-0,015 м2, при дальнейшем же увеличении сечения образца скорость трогания возрастает незначительно. Изменяя уклон установки желобов, видим, что для одних и тех же образцов, скорость трогания не остается постоянной. Это объясняется тем обстоятельством, что при увеличении уклона для сдвига образца требуется меньший расход воды, т.е. глубины потока, а так как площадь сечения образца, на которую будет воздействовать поток, будет меньше, то потребуется большая сила для него трогания.
Гидромеханические условия трогания определяются безразмерными параметрами: отношением диаметра
честицы к глубине потока 8 = и
Нп
числом Фруда, Рг = ^2г ; где д - ус-
и0
1
J
У О _ 1
» —■
. —
to 60 II
Рис. 1. График зависимости числа Фруда от отношения диаметра частиц к глубине потока: 1 - уклон 0,03, 2 - уклон 0,09, 3 - уклон 0,15; Условные обозначения о - образцы кубоподобной формы, ▲ - параллелепипедообразные образцы, + - плоские образцы
корение силы тяжести, dK - приведенный к диаметру размер образца; Нп-глубина потока.
Представив экспериментальные данные в виде графиков (рис. 1), видим, что Fr Ф const для различных образцов и существенно изменяется по мере изменения отношения диаметра частицы и глубины потока. Отсюда вытекает, что закон Эри (квадрат скорости трогания прямо пропорционален размеру частицы) для скоростей трогания крупных образцов в лотке не выполняется.
Удовлетворительное расположение экспериментальных точек по прямым свидетельствует о наличии функциональной зависимости, которую в общем виде можно записать
aFr = K(5), (1)
где a = ——-; уT; Y объемный вес со-
Y
ответственно твердого и воды; Uo -скорость трогания. Коэффициент K = ( f + i) Сх, (2)
где f - коэф. трения образца о желоб, i - уклон установки желобов, Сх - коэффициент, зависящий от изме-
нения процента погружения образца в поток в связи с увеличением угла наклона желобов. Коэффициент Сх при уклоне 0,07-0,12 изменяется с
0,01 до 0,05:
аРг = ( і + і) Сх 8 (3)
Полученная зависимость в общем виде справедлива для образцов различной формы и крупности, так как, не смотря на различную форм, образцы на графике аРг(б) расположены практически на одной линии. Уравнение [3] приближенно выражает гидродинамические условия трогания твердых тел в лотке, т.е. для разных двух потоков, имеющих подобные геометрические размеры желоба и транспортируемых твердых тел., динамическое подобие выражается в виде зависимости числа Фруда и отношения размера частицы к глубине потока.
Изучив данные кинолент и предоставив полученные результаты в форме графиков ит (ив) (рис. 2) для образцов различного размера, формы и веса, видим, что во всех случаях величина скорости перемещения твердых образцов находится в прямой зависимости от скорости потока и размера образца.
*4«« 0,09 /- и?.)* Ч /
/ //
/■/
./ //
/ / / / Л
/, // / • /
/ / ' / / / / ' *, Т ! /
Ч.<Г~
Исследованием и М.А. Великанова, А.Е. Смолдорева, В.Н. Гончарова показали, что прямые ит (иж) различных образцов на оси ординат должны отсекать скорость потока равную скорости трогания соответствующего образца, но на наших графиках мы
б 10 20 И
Си" и,) м/с1К
Рис. 2. Зависимость ит (иж) при уклоне
0,09; 1-4 номер образцов
видим, что скорость трогания образцов не находится на пересечении этих прямых с осью абсцисс, где должна находиться теоретически, а является несколько большей. Это объясняется различными условиями обтекания потоком кусков находящихся в движении и стоящих на месте. По данным выполненных экспериментов полученная скорость трогания на 8-14 % больше теоретической.
Большинство исследуемых образцов в потоке перемещаются скольжением (волочением) по дну лотка и только при больших скоростях потока некоторые образцы на небольших отрезках пути взвешиваются. Во время движения образца его сопротивление потоку складывается из сопротивления от трения при обтекании тела потоком и трения скольжения либо качания. Ясно, что при движении, сопротивление образца потоку уменьшается, а лобовое сопротивление, как известно, пропорционально разности скоростей движения жидкости и твердого, а избыток энергии (силы) потока затрачивается на ускорение частицы. Поэтому соблюдается условие.
и0 = ив - ит (4)
По данным экспериментов на рис.
3 представляем график ит I и - и0 I.
Рис. 3. График зависимости скорости куска ит от разности скоростей потока и трогания куска (и-и0): 1 - и5(и-и0) для песка по данным Дементьева, 2 - и5(и-и0) для образцов соизмеримых с глубиной потока, 3 - и5(и-и0) размер образцов превосходит глубину потока
■»
/
у
о ю ав ав
А
Для сравнения здесь же приведены обработанные данные М. А. Дементьева и Н.А. Войновича, полученные для случая движения частиц песка в лотке. При рассмотрении график убеждаемся, что прямые 2, 3 не выходят из начала координат. Это объясняется тем, что полученные нами скорости трогания отличаются от теоретической. Если мы при построении графика принимаем ио (практическое) = и (теоретическому), то прямые 2 и 3 займут соответственно места прямых 21 и 31. Уравнение линий
1, 21, 31 можно выразить зави-
симостью.
ит = кх (их - и) (5)
где Кх - коэффициент зависимости от размера образца, его веса, коэфф. трения, процента погружения образца в поток и пр. В условиях опытов замечено, что коэффициент Кх в основном изменяется от размера образца и коэффициента трения.
Кх = 0,0Шк +1 (6)
Т.е. практически при <1=0. Кх=1, Что соответствует транспортировке
Рис. 4. График зависимости чисел Фруда взятых для жидкости и твердого образца: 1 - размер образцов соизмерим с глубиной потока, 2 - размер образцов превышает глубину потока
одной воды. Для образцов, размер которых очень мал, по сравнению с сечением потока. Кх=1,03^1,1. При величине образцов соизмеримых с глубиной потока Кх=1,3^1,65 образцы перекрывающие большую часть потока своим сечением имеют Кх=2,3-2,5.
Поскольку движение твердых частиц при их волочении по дну определяются уравнением (5), естественно искомая закономерность динамического подобия для условия движения образцов соизмеримых с глубиной потока может быть представлена в виде зависимости аРгк(Ргп).
Построив графики этой зависимости (рис. 4), видим что
аик = Кх 5Н (7)
иТ (ив - ио )2
Динамическое подобие двух потоков характеризуется прямой зависимостью чисел Фруде, взятых для жидкости и твердого образца.
Изучение основных фаз движения потоков двухкомпонентных сред, представленных водой и горной породой, выполнялись различными авторами: А.Е. Смолдаревым, М.А. Михайловым, С.Н. Сыркиным и др. Для тонкодисперсных гидросмесей при скорости потока ип>и0, наблюдается непосредственный отрыв небольших частиц от нижней стенки потока, при и>и0 и практически обеспечивается полное взвешивание частиц при транспортировке, а в случае грубодисперсных гидросмесей при и>2и0 наблюдается прерывное взвешивание частиц.
Как нами уже указывалось, частицы крупной фракции движутся в основном волочением, а небольшие куски - прерывным взвешиванием. Изучая движение кусков в потоке при и>(1.2^1,5)ио наблюдаем устойчивую транспортировку руды.
При транспортировании смеси мелкая часть руды находиться во взвешенном состоянии, а ее наличие в потоке усиливает его транспортируемую способность.
1. Великанов М. А. Динамика русловых потоков. Т.2. Гостехиздат 1955.
2. Фридман В.Э. Справочник по гидромеханизации горных работ. Металлургиздат. 1949.
Транспортируя смеси при небольших насыщениях потока замечено, что для устойчивой транспортировки крупнокусковатой фракции достаточно чтобы скорость потока на 25-40 % превышала скорость трогания кусков.
Данное исследование дало возможность ориентировано определить необходимые рабочие скорости потока в зависимости от уклона, расхода твердого и жидкого, плотности и размера кусков руды.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Гончаров В.Н. Движение насосов. М.
4. Добыча угля гидроспособом. Под редакцией проф. Мучника. Углетехиздат.
5. Таггард. Справочник обогащения полезных ископаемых. Т. 4. ШИЗ
— Коротко об авторах
Аренс В.Ж. - профессор, доктор технических наук, председатель МО ГМС РАЕН. Шевченко В.П. -
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007».
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
ГУЛЯК Сергей Васильевич Повышение эффективности опробования гидрогеологических скважин при использовании погружных насосных установок 25.00.14 к.т.н.
