CC BY
22
УДК 622.272
© М.В. Рыльникова, В.В. Олизаренко, С. А. Линьков, А. А. Зубков, 2015
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕМОВ ПОТОКОВ ТЕКУЧЕГО В ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ «РУДНИК-КАРЬЕР-ФАБРИКА» КАК ИСТОЧНИКОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ*
Обоснован объем потоков текучего в горнотехнической системе «рудник-карьер-фабрика» для оценки возможностей воспроизводства электроэнергии в ходе реализации геотехнологических процессов. Обоснованы места установки устройств для сбора и преобразования энергии. Разработаны конструкции моделей для воспроизводства электроэнергии. Предложен комплекс мер для воспроизводства электроэнергии от потоков текущего в производственных условиях подземного рудника.
Ключевые слова: шахтная вода, пульпа, закладочная смесь, рудник, возобновляемые источники, генератор, воспроизводство электроэнергии.
Основные направления и перспективы развития энергоэффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных геотехнологий - необходимое условие формирования горнотехнических систем «рудник-карьер-фабрика» настоящего и ближайшего будущего. Рудникам предстоит отрабатывать рудные месторождения с различными условиями и параметрами на глубинах до 250^1000 м на карьерах и более 1000 м на подземных рудниках.
В работах ИПКОН РАН [1-3] сделан вывод, что «в будущем затраты энергии на горные работы будут все более интенсивно приближаться к критическому значению, ниже которого освоение ряда месторождений твердых полезных ископаемых станет не эффективным».
С увеличением глубины ведения горных работ резко возрастают затраты на добычу, транспортирование и подъем горной массы, в том числе и энергетические (е, кВт-ч/т затраты). На основании анализа энергетических показателей работы ряда урано-
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-17-0255.
добывающих предприятий США получено уравнение регрессии е = = 58+0,033-Нр, где Нр - глубина разработки, м.
Однако имеются единичные примеры реализации энерговос-производящих технологий в ходе горных работ.
Так, на шахте им. Губкина (ОАО «Комбинат КМАруда») [4], выполняющей гидравлическую закладку выработанных пространств при камерной системе разработки железных руд, рассмотрен резерв по обоснованию возможности генерирования нетрадиционно возобновляемой энергии от потоков сгущенных отходов пульпы хвостов обогатительного производства. В 2011 году на руднике было заложено в выработанное пространство 4,04 млн тонн хвостов. Расчеты показали, что они имеют потенциальную энергию, равную 2,365 млн кВт-ч, что составляет 1,02 кВт-ч на 1 м3 пульпы.
Последнее предопределило новый подход к созданию технологий и техники, для получения нетрадиционных источников электроэнергии с использованием гидроэнергетических установок (ГЭУ) малой мощности. Энергия для работы ГЭУ получается от потоков текучего: шахтной воды (I), пульпы хвостов (II), закладочной смеси (III) в горнотехнической системе «рудник-карьер-фабрика» (рис. 1).
Источники потоков текучего и твердого сыпучего
Рис. 1. Потоки жидкого текучего в горнотехнической системе «рудник-карьер-фабрика.»
горнотехнических систем
Схемя форивровянкв потовое шхгпзож ъоды в выработке
Условные о 6 о 1наченнн: ■■-I— п ил" мжы" П|1Т|>" " - ____ --поверхностные воды
1агрл1неввь]е ш■ттные веды
Рис. 2. Обобщенная технологическая схема формирования потоков жидкого текучего в подземных горных выработках ГВ, на обогатительной фабрике (ОФ), поверхностном закладочном комплексе (ПЗК)
Применение геотехнологии с энергосбережением и воспроизводством электроэнергии от энергии потоков жидкого текучего (рис. 3) весьма актуально для подземных рудников, отрабатывающих медно-колчеданные месторождения Урала, представленные единичными мощными рудными телами (Учалинского и Чебачьего месторождения); многочисленными телами средней мощности (Гайское, Узельгинское и Сибайское месторождения); рассредоточенными рудными телами малой мощности (Октябрьское, Александринское, Озерное, Западно-Озерное месторождения), залегающие на значительном расстоянии друг от друга по площади и по глубине (более 1300 м). Месторождения характеризуются различными водопритоками и потребностью в значительных объемах закладочных работ [5].
Для выбора и разработки технологии и конструкций гидроэнергетических установок (ГЭУ) малой мощности с различным конструктивным исполнением рабочих колес гидроагрегатов и генераторов для воспроизводства электроэнергии была проведена необходимая оценка объемов воды, закладочной смеси, пульпы хвостов в горнотехнических системах «рудник-карьер-фабрика», что потребовало расчетов.
Под потоками текучего рассматривались:
— загрязненная шахтная вода, поступающая самотеком с вышележащих горизонтов по перепускным скважинам на гори-
зонт расположения главного водосборника для последующей откачки осветленной шахтной воды рудничным водоотливным комплексом на поверхность;
— твердеющая закладочная смесь на основе твердого заполнителя из пустых пород или сгущенной пульпы хвостов, поступающая самотеком по скважинам в пустоты отработанных камер рудников;
— пульпа хвостов обогащения и переработки руд, подаваемая самотеком по желобам, канавам или скважинам в выработанное пространство рудников и карьеров;
— текущая пульпа хвостов, складируемая в хвостохранилищах.
Необходимо отметить, что объемы текучих потоков в горнотехнических системах «рудник-карьер-фабрика», перемещаемых между высотными отметками горизонтов рудника, накапливают энергию, часть которой может быть использована для воспроизводства электроэнергии.
Оценка объемов потоков твердеющего текучего.
Обработкой статистических данных Гайского, Узельгинско-го, Учалинского и Сибайского рудников установлены средние количественные объемы потоков шахтной воды по месяцам года (рис. 3, а) за 10 летний период.
На межгоризонтных схемах движения потоков шахтной воды Гайского и Учалинского рудников (рис. 4) приведены геодезические отметки горизонтов с перепускными скважинами и водосбониками. Эти схемы позволяют определить места установки генераторных установок малой мощности на выходе перепускных скважин с отработанных горизонтов и на горизонтах главных водосборников и насосных станций рудничных водоотливных комплексов.
япп
01 п ш IV V VI та лтп ге х XI хп Месяца года
Рис. 3. Средние объемы шахтной воды, поступающей в главные водосборники рудников в течение года с января по декабрь: 1 - Гайского; 2 -Учалинского; 3 - Узельгинского; 4 — Сибайского
Обработкой фактических данных наблюдений установленыы эмпирические зависимости производственной мощности (Ар, тыс .т/год) от глубины ведения горных работ (рис. 5, а) и притока воды в горные выработки (рис. 5, б) Учалинского рудника от производственной мощности рудника а б
Рис. 4. Упрощенные межгоризонтные схемы движения потоков шахтной воды Гайского (а) и Учалинского (б) рудников
1000 2000 3000 4000
? В
а Ч
I н
л Л
Приток воды Е горные выработки, Глуоння ведения пфных работ,
11ТП'. 11.11 . М! I II I Нт, м
Рис. 5. Графические и эмпирические зависимости: а - производственной мощности рудника от глубины ведения горных работ; б - притока воды в подземные горные выработки
<1,71%)
ДИ 4111 нш, л
Глущина ш 1Л гы,::
ая аио ш ац тис им
Г уНиВЛ шаз и. И . .
Рис. 6. Структура распределения водопритоков по горизонтам на Учалин-ском (а) и Гайском (б) подземных рудниках
Анализ структуры распределения потоков шахтной воды по эксплуатационным горизонтам Учалинского и Гайского рудника (рис. 6) свидетельствует, что наибольший водопоток формируется на горизонте ведения очистных работ.
Согласно данным рис. 6, по перепускным скважинам сбрасывается на нижние горизонты до 70 % шахтной воды, то есть большая часть шахтной воды из подземных выработок поступает по водоотливным канавкам в главные водосборники, что указывает на перспективность установки ГЭУ малой мощности на выходе из водоотливной скважины или на входе в главный водосборник. Рабочее колесо барабанного типа, вал которого соединяется с валом генератора, может обеспечить воспроизводство электроэнергии от движущегося потока шахтной воды для использования на внутрирудничные нужды.
В основу оценки объемов потоков закладочной смеси были положены фактические объемы добычных (<2доб, т/год) и закладочных (<2закл, м3/год) работ на основе твердеющей смеси из породного заполнителя на Учалинском, Узельгинском (рис. 7, а, б) рудниках и сгущенной пульпы хвостов обогащения на Гайском (рис. 7, в) руднике.
Из сравнения объемов добычи и закладочных работ (рис. 8) явно прослеживается отставание объемов закладочных работ на Учалинском руднике, при наличии относительно пропорционального соответствия между объемами добычных и закладочных работ на Узельгинском и Гайском рудниках.
б
а
Учалинский подземный рудник
Узельгинскнй подземный рудник
Период вреьи '—Объем добычи
работы, год Объем за кладочных работ
2 3 4 5 6
ГЗерноэ времени раоош, год
Объгм добагчи —Объ/'Ы шкллдгмиык работ
Гайский подаемный рудник
у ■ я - 1 л
5 Э 4 5 4 7 « 9 10 |]ер1[оя ьргч гш; рнЬоты, год ^ о&ъем д&ьыи н овьем за>1**дечмыч(иост
Рис. 7. Графики объемов добычных и зависимости закладочных работ во времени на Узельгинском (а), Уча-линском (б) и Гайском (в) рудниках
б
а
в
Анализ графиков на рис.7 свидетельствует о сопоставимости прямых потоков рудной массы, подаваемой из рудника вверх, и закладочной смеси, направляемой в выработанное пространство. Но при подаче смеси вниз формируется энергия, пропорциональная плотности смеси и высоте столба. Часть этой энергии расходуется на перемещение смеси по горизонтальным выработкам, а свободный остаток энергии может быть использован для воспроизводства электроэнергии.
Большой практический интерес представляет опыт реализации ресурсовоспроизводящей безотходной геотехнологии комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии [4] с гидротранспортом хвостов на узел сгущения. После сгущения хвосты обогащения, с содержанием твердого 70 %, гидротранспортом направляются в выработанное пространство карьеров и пустот шахт, а отведенная очищенная вода — на обогатительную фабрику. Общие объемы работы закладочного комплекса составляют: переработка пульпы - 4638 м3/ч; осветление воды - 4517 м3/ч; складирование отходов - 340 т/ч [2]. В результате предприятие полностью отказалось от эксплуатации хвосто-хранилища и обеспечивает себя на 90 % технологической водой.
С учетом условий залегания и параметров рудных тел мед-ноколчеданных и железорудных месторождений, состава вновь образующихся жидких потоков шахтной воды, закладочной твер-
деющей смеси определены объемы текучего в зависимости от глубины ведения горных работ. Причем, согласно технологическим регламентам на закладочные, при высоте столба закладочной смеси > 300-350 м в вертикальном ставе энергию давления смеси необходимо гасить специально устанавливаемыми устройствами. Для уменьшения скорости движения закладочной смеси на вертикальном трубопроводе, вместо горизонтальных отводов длинной от 10 до 40 м, возможно размещение ГЭУ с гидроагрегатом и генератором (рис. 8) для выработки электроэнергии.
Включение ГЭУ в вертикальный закладочный трубопровод в месте пересечения с горизонтальными горными выработками позволяет не выполнять горизонтальных отводов на вертикальном закладочном трубопроводе для гашения скорости движения закладочной смеси и шахтной воды; использовать накопленную кинетическую энергию в жидких самотечных потоках для воспроизводства электроэнергии ГЭУ малой мощности; рассчитать требуемое количество ГЭУ (тгэу, шт), устраиваемых по высоте закладочного трубопровода (Нвс, м) по формуле:
1пгэу = (Нвс/кгэу),
где Нгэу - минимальное расстояние между ГЭУ малой мощности с учетом отметки геометрического уровня верхнего и нижнего (Лгэуг, м) горизонтов действующего рудника, м.
50 100 200 500 1 000 2 000 5 000 10 000 РАСХОД О (л/с)
Рис. 8. Схема каскадного расположения ГЭУ малой мощности (а) и номограмма для определения мощности генератора (б). Ключ к пользованию номограммой показан стрелками на рисунке
Для оценки мощности (Лгэу, кВт), вырабатываемой ГЭУ, рекомендуется пользоваться номограммой (рис. 8).
Выводы
1. Выполненная оценка объемов потоков шахтной воды позволяет сделать заключение, что в ГТС «рудник-карьер-фабрика» формируют круглосуточные потоки шахтной воды изменяющегося напора, потока твердеющей закладочной смеси и сгущенной пульпы хвостов обогащения. Данные потоки текущего являются резервными источниками воспроизводства электрической энергии для собственных нужд рудника.
2. Обоснование объемов потоков текущего в ГТУ «рудник-карьер-фабрика» позволило провести математическое моделирование работы ГЭУ и оценить возможную ее мощность в зависимости от объемов текучего согласно разработанной номограмме.
3. Проверочные расчеты подтвердили возможность воспроизводства электроэнергии на генераторных установках малой мощности до 30 кВт и более.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н. Принципы обоснования параметров устойчивого и экологически сбалансированного освоения месторождений твердых полезных ископаемых [Текст] /К.Н. Трубецкой, Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова/ - М.: ИП-КОН, 2014. С. 3-10.
2. Каплунов Д.Р., Ръгльникова М.В., Радченко Д.Н. Проблема использования возобновляемых источников энергии в ходе разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2015, №1, С. 88-96.
3. Каплунов Д.Р., Лейзерович С.Г., Томаев В.К. Энерговоспроизвоство при подземных закладочных работах // Горный журнал, 2013, № 4, С. 62-66.
4. Лейзерович С.Г., Помельников И.И., Сидорчук В.В., и др. Ресурсовос-производящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений курской магнитной аномалии // под ред. Д.Р. Каплунова. М.: Изд-во «Горная книга», 2012. — 547 с.
5. Рыльникова М.В., Олизаренко В.В., Линьков С.А., Зубков Ар.А. Исследования процессов воспроизводства электроэнергии за счет использования энергии движущихся масс в горнотехнической системе рудника //Комбинированная геотехнология: устойчивое и экологически сбалансированное освоение недр /материалы международной научно-технической конференции, г.Магнитогорск, 2015. -Сб. тезисов. -г.Магнитогорск, МГТУ им.Г.И.Носова, 2015. С.106-107.
6. Олизаренко В.В., Мингажев М.М. Рудничный водоотлив при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала: Монография. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им Г.И.Носова», 2010. — 252 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор, зав. отделом теории проектировании освоения недр, rylnikova@mail.ru, ИПКОН РАН,
Линьков Сергей Александрович - кандидат технических наук, доцент, xx_linkov@rambler.ru,
Олизаренко Владимир Владимирович - кандидат технических наук, доцент, volizarenko@mail.ru
Зубков Артем Анатольевич — кандидат технических наук, ассистент, Zubkob89@yandex.mail.ru.
UDC 622.272
CHARACTERISTICS OF FLUID FLOWS IN MINING "MINE QUARRY FACTORY" HOW RENEWABLE ELECTRICITY
Rylnikova M. V., Doctor of Technical Sciences, professor, manager of department of the design theory of mining exploitation, rylnikova@mail.ru, IPKON RAS, Russia, Linkov SA., candidate of technical sciences, associate professor, xx_linkov@rambler.ru, IPKON RAS, Russia,
Olizarenko V.V., candidate of technical sciences, associate professor, volizarenko@mail.ru, IPKON RAS, Russia,
Zubkov A.A., candidate of technical sciences, assistant of the Department. Zubkob89@yandex.mail.ru, IPKON RAS, Russia.
Moving flow value in system «underground mine-open pit-processing plant» for the evaluation of reproduction energy possibility in geotechnology processes is justified. The places for the equipment for energy harvesting and transformation are justified. The models constructions for reproduction of electric energy are designed. The strategy for the electric energy reproduction from moving flows in mine working conditions is offered.
Key words: mine water, pulp, backfill, mine, renewable sources, generator, energy reproduction.
REFERENCES
1. Trubeckoj K.N. Principy obosnovanija parametrov ustojchivogo i jekologicheski sbalansirovannogo osvoenija mestorozhdenij tverdyh poleznyh iskopaemyh (The principles of substantiation of the parameters of environmentally sound and sustainable development of deposits of solid minerals) [Tekst] /K.N. Trubeckoj, D.R. Kaplunov, M.V. Ryl'nikova/ Moscow: IPKON, 2014. pp. 3-10.
2. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Problema ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov jenergii v hode razrabotki mestorozhdenij tvjordyh poleznyh iskopaemyh (The problem of using renewable energy sources during the development of deposits of solid minerals), Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2015, No 1, pp. 88-96.
3. Kaplunov D.R., Lejzerovich S.G., Tomaev V.K. Jenergovosproizvostvo pri podzemnyh zakladochnyh rabotah (Energomashproect in underground backfilling operations) // Gornyj zhurnal, 2013, No 4, pp. 62-66.
4. Lejzerovich S.G., Pomel'nikov 1.1., Sidorchuk V.V., i dr. Resursovosproizvodjashhaja bezothodnaja geotehnologija kompleksnogo osvoenija mestorozhdenij kurskoj magnitnoj anomalii (Non-waste resource-reproducing Geotechnology integrated development of deposits of Kursk magnetic anomaly) // pod red. D.R. Kaplunova. Moscow: Izd-vo «Gornaja kniga», 2012. 547 p.
5. Ryl'nikova M.V., Olizarenko V.V., Lin'kov S.A., Zubkov Ar.A. Issledovanija processov vosproizvodstva jelektrojenergii za schet ispol'zovanija jenergii dvizhushhihsja mass v gornotehnicheskoj sisteme rudnika (Research of processes for the production of electricity by using the energy of the moving mass in a mining system of the mine) //Kombinirovannaja geotehnologija: ustojchivoe i jekologicheski sbalansirovannoe osvoenie nedr /materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii, g.Magnitogorsk, 2015. Sb. tezisov. Magnitogorsk, MGTU im.G.I. Nosova, 2015. pp.106-107.
6. Olizarenko V.V., Mingazhev M.M. Rudnichnyj vodootliv pri otrabotke medno-kolchedannyh mestorozhdenij Juzhnogo Urala (Mingazhev mine dewatering during the mining of copper-pyrite deposits of the southern Urals): Monografija. Magnitogorsk: GOU VPO «MGTU im G.I. Nosova», 2010. 252 p.
