CC BY
23
УДК 622.45^622.74 © М.В. Рыльникова, В.В. Олизаренко,
С. А. Линьков, Ар. А. Зубков, 2015
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ПОТОКОВ В ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА ДЛЯ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ*
Исследованы потенциал и параметры воспроизводства в шахтных условиях электроэнергии от использования энергии транспортируемых в шахту хвостовой пульпы, закладочной смеси и шахтной воды. Приведены результаты экспериментальных исследований по оценке перспектив выработки электроэнергии на лабораторной модели. Предложен комплекс мер для технической реализации проекта по энерговоспроизводству на действующих и вновь проектируемых рудниках.
Ключевые слова: техническая вода, водоотлив, хвостовая пульпа, закладочная смесь, горнотехническая система, воспроизводство электроэнергии, возобновляемый источник, гидротурбина.
Перспективы развития энергоэффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных геотехнологий в горнотехнической системе (ГТС) подземных рудников связаны с возможностью воспроизводства электроэнергии за счет использования возобновляемых источников при разработке рудных месторождений на больших глубинах.
В современных проектах на отработку рудных месторождений не учитываются возможности воспроизводства электроэнергии генераторными установками малой мощности для собственных нужд подземного рудника [1] за счет использования энергии движущихся потоков текучего.
Под потоком текучего понимается: «условно» чистые подземные воды, истекающие через трещины потолочин или боковых стенок подземных горных выработок; подземные, поверхностные и технические воды, загрязненные твердыми частицами горных пород, поступающие с вышележащих горизонтов в главные водо-
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-17-0255.
сборники с последующей откачкой подземным водоотливным комплексом на поверхность; потоки закладочной смеси, подаваемой преимущественно самотеком с поверхности по вертикальным и наклонным закладочным трубопроводам в пустоты отработанных камер; сгущенная пульпа хвостов обогащения руд при гидрозакладке выработанных пространств карьеров и шахт; потоки атмосферного воздуха, подаваемого вентилятором главного проветривания в горные выработки подземного рудника (шахты) для их проветривания и последующего выноса в атмосферу с исходящим загрязненным пылегазовым потоком шахтного воздуха.
Особенностью потоков системы водоотлива в горнотехнической системе является то, что их движение (рис. 1) осуществляется по трубопроводу или скважинам; для перепуска вниз с вышележащих горизонтов на нижележащие концентрационные горизонты, где расположены главные водосборники и насосы рудничного водоотливного комплекса, откачивающиего шахтную воду в отстойники на поверхности [2].
В свою очередь движение потоков закладочной смеси по закладочным трубопроводам (рис. 2) и пульпы хвостов носит поточно-прерывистый характер, определяемый технологией закладочных работ.
Исследование процессов воспроизводства электроэнергии от использования потоков спускаемых на нижележащие горизонты закладочной смеси и шахтной воды
Разработанная турбина для пульпы (рис. 3) уникальна в своём роде, так как в мире ещё нет опыта использования турбин для такого агрессивного материала.
Авторами оформляется патент на полезную модель турбины для использования энергии пульпы. Закладочная смесь в своём составе содержит мелкодробленые породы и обладает высокой абразивно-стью, поэтому колесо турбины будет подвергаться повышенному
а б
Рис. 1. Устройства для сбора «условно» чистой воды (а) и перепуска загрязненной шахтной воды (б) на нижележащий горизонт
Рис. 2. Схема (а) и вид (б) устройства на закладочном трубопроводе со сварным коленом 90 и отводом (в): 1 - кондуктор скваженный; 2 - вставка вертикальная; 3 - колено сварное (в) с отводом 90о; 4 - быстроразъемное соединение; 5 - горизонтальный трубопровод; 6 - патрубок; 7 - мембрана; 8 - фланцевая муфта; 9 - гидроцилиндр с поршнем; 10 - муфта жесткого соединения штока поршня с источником колебаний; 11 - стул опорный
Пульпа, шахтная вода,
закладочная смесь
б
Рис. 3. Схема турбины ковшового типа (а), колесо турбины (б) и образец турбины для лабораторных испытаний (в)
износу. Предложенная конструкция турбины состоит из колеса с лопатками (рис. 3, б), усиленными ребрами жесткости. Количество ребер жесткости от одного до двух, в зависимости от площади лопатки и диаметра трубы с пульпой. Материал, из которого изготавливается колесо, должен иметь высокую стойкость к разрушению и износу. Поэтому материал лопаток турбины должен иметь повышенную прочность и износостойкость, а форма должна быть оптимизирована с учетом действующих нагрузок. Возможно также использовать сварные съемные узлы для турбины, производство которых можно осуществлять собственными нуждами предприятия. Форма корпуса турбины в нижней части должна быть удлиненной (рис. 3, а), чтобы лопатки, под действием центробежных сил успевали освободиться от налипших частиц твердого.
б
а
в
Результаты обработки данных экспериментальных исследований по воспроизводству электроэнергии при перепуске через турбину ковшового типа подаваемых сверху шахтной воды, пульпы, и закладочной твердеющей смеси при различных соотношения (Т:Ж) и плотности р, (т/м ) представлены на рис. 4.
Анализ электромеханических характеристик генератора пГ = /(¡Г ) при различных нагрузочных сопротивлениях Ин свидетельствует, что есть возможность регулирования скорости колеса гидротурбины и потока падающей смеси с отъёмом генерируемой электроэнергии. Увеличение вязкости и плотности потока ведет к снижению скорости текучего в трубе.
По результатам лабораторного эксперимента построены зависимости скорости вращения генератора от величины нагрузочного сопротивления при подаче гидросмеси по вертикальному трубопроводу модели с высоты 2,4 м для смесей с различным соотношением Т:Ж (рис. 5). а б
2
П.ПЛ 0.1 0.15 0.2 0.35 О Г1.ГУ1 0.1 0.15 Г.? Ц25
п. оо I мин
г
п, об/мая
0.15 0?5 о 046 0.1 0.15 02 0.25 и.1 0.25
Рис. 4. Электромеханические характеристики генератора пГ = /(1Г) с нагрузочным сопротивлением Ян: а - шахтная вода (Т:Ж = 20:80), плотность 1,17; б - пульпа (Т:Ж = 30:70), плотность 1,28; в - сгущенная пульпа (Т:Ж = 40:60), плотность 1,41; г - закладочная смесь (Т:Ж = 60:40), плотность 1,79
в
Рис. 5. Зависимости скорости генератора от нагрузочного сопротивления п = /(Ян) для закладочной смеси с различным содержанием Т:Ж=: 1 - 20:80; 2 - 30:70; 3 - 40:60; 4 - 60:40
Нелинейность характеристик, представленных на рис. 5, описана возрастающей экспоненциальной зависимостью:
_ А.
пг = п0 + Ап ■ е Ян , где пг — текущая скорость генератора, об/мин; п0 - статическая скорость генератора при нулевом сопротивлении (скорость короткого замыкания генератора), об/мин; Ап = ||(п| _ п0) —
И- ^ тах ^
приращение скорости генератора, об/мин; птахп - максимальная скорость генератора, об/мин; кс = АЯ — коэффициент усиления
касательной к экспоненте скоростной характеристики (коэффициент нелинейности); АЯ — приращение сопротивления нагрузки, Ом.
Начальная статическая скорость генератора напрямую зависит от плотности и высоты столба смеси, давящей на лопасти турбины, поэтому, с увеличением состава твёрдого п0 возрастает. Чем меньше коэффициент нелинейности кс, тем больше кривизна характеристик на рис. 5.
На рис. 6 показаны полученные по результатам эксперимента зависимости силы тока генератора нагрузочного сопротивления при подаче закладочной смеси с высоты 2,4 м на генератор поршневого типа для смесей с содержанием Т:Ж = 20:80; 30:70; 40:60; 60:40.
Зависимости, представленные на рис. 6, аппроксимированы убывающей экспоненциальной зависимостью:
_ _к_
1г = 10 +А1 ■ е Ян ,
Рис. 6. Зависимости тока генератора от нагрузочного сопротивления 1г = =/(Ян) для закладочной смеси с различным содержанием Т:Ж =: 1 -20:80; 2 - 30:70; 3 - 40:60; 4 - 60:40
где /г - текущий ток генератора, А; 10 -статическая ток генератора при нулевом сопротивлении (ток короткого замыкания генератора), А; А/ = |( I ] -/0) — приращение тока генератора, А; /т
максимальном нагрузочном сопротивлении, А; к =
минимальный ток генератора при А/
- — ко-
АЯ
эффициент усиления касательной к экспоненте токовой характеристики; АЯ — приращение сопротивления нагрузки, Ом.
Кривизна токовых характеристик зависит от соотношения твердого к жидкому в пульпе, а увеличение плотности и массы смеси влечет рост тока генератора.
Анализируя экспериментальные электромеханические характеристики, сделаны следующие выводы:
1) Скорость падающей пульпы можно регулировать током генератора в диапазоне от нулевой до скорости свободного падения, когда ток генератора равен нулю.
2) Сгущение пульпы, приводящее к увеличению её плотности и вязкости, особенно при добавлении связующих материалов, например, таких как цемент для твердой закладочной смеси, приводит к снижению скорости падения пульпы в трубе, но за счет увеличения рабочей массы столба смеси, давление на лопасти рабочего колеса, что позволяет снимать с генератора дополнительную мощность.
Экспериментальные исследования потенциала генераторов малой мощности с 10-ю прямоугольными лопастями рабочего колеса для использования энергии
В настоящее время транспортировка закладочной смеси (пульпы) к выработкам осуществляется по трубопроводу с пе-
репадом высот от 50 а 6 в
до 500 метров и более [2]. Для гашения энергии закладочной смеси, подаваемой с большой высоты, необходима по правилам безопасности установка специальных гасителей. В качестве этих гасителей предлагается установка нескольких гидротурбин на разных уровнях шахты. С этой Рис. 7. Общий вид экспериментальной модели
целью сконструиро- ГВЭ с 10-ю ковшовыми лопастями рабочего кована физическая мо- леса: схема (а)' фото (б) рабочее колесо (в)
дель закладочной трубы с двумя генераторами малой мощности (рис. 7). Рабочие колёса генераторов выполнены десятью прямоугольными лопатками с подшипником скольжения внутри турбины (рис. 7, в).
В ходе эксперимента рабочая смесь подавалась на колесо генератора с высоты 1 м при диаметре трубопровода 20 мм. Менялась плотность и вязкость смеси, соотношение Т:Ж. На рис. 8, 9 показаны электромеханические характеристики генератора при прохождении через него шахтной воды плотностью 1,02 кг/м3[3].
а б
Шун II [ гН['|' м ■ ЕгороП г' м |
. II, Об/ 7.00! НОГ.
С эди 31 С,И ''' СОТ 11 О И и 023
Рис. 8. Электромеханические характеристики генератора пГ = f(¡г) с нагрузочным сопротивлением Ян для условно чистой воды (Т:Ж=5:95), плотностью 1,02 первого (а) и второго (б) генераторов
Шахтная вода (Т:Ж = 10:90), плотность 1,05
а б
об лит п^.ь.-р СШфнор Лев/пик В,ч»Аг™г|»,ч.
Рис. 9. Электромеханические характеристики генератора пГ = /(¡Г) с нагрузочным сопротивлением Ян: для условно чистой воды (Т:Ж = 10:90), плотностью 1,05 для первого (а) и второго (б) генераторов
Шахтная вода (Т:Ж = 20:80), плотность 1,17
Во время эксперимента при подаче шахтной воды с соотношением Т:Ж=20:80 и плотностью 1,17 произошло заклинивание рабочего колеса, так как подшипники жидкостного трения гидротурбины находятся внутри неё и подвергаются засору мелкими частицами фракций. Незначительные зазоры между стенками корпуса турбины и лопатками колеса засоряются также осадочными наносами, что увеличивает трение рабочего колеса о стенки, снижает её мощность и приводит к заклиниванию. Это свидетельствует о необходимости совершенствования гидротурбины для перекачки загрязненной шахтной воды, чтобы исключить аварийные ситуации в связи с заиливанием рабочих пространств.
В результате экспериментальных исследований сделаны выводы:
1) Добавление второго генератора с рабочим колесом создаёт дополнительное сопротивление потоку смеси и уменьшает скорость потока падающей пульпы, что наглядно демонстрируют электромеханические характеристики (рис. 8, 9). Рабочие параметры установленных гидротурбин должны быть определены с учетом набора мощности потоков смеси.
2) Для оценки шага установки гидротурбин с оптимизированными конструктивными параметрами необходимо проведение опытно-промышленного эксперимента в шахтных условиях действующего рудника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплунов Д.Р., Рътьникова 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.
2. Долганов А.В. Повышение эффективности эксплуатации водоотливных установок медноколчеданных рудников. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Екатеринбург, Ур.ГГУ, 2012. -17 с.
3. 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, Олизаренко Владимир Владимирович - кандидат технических наук, доцент, volizarenko@mail.ru,
Линьков Сергей Александрович - кандидат технических наук, доцент, xx_linkov@rambler.ru,
Зубков Артем Анатольевич - кандидат технических наук, prmpi@magtu.ru, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова.
UDC 622.45-622.74
RESEARCH POTENTIAL ROAMING THREADS IN MINING SYSTEM UNDERGROUND MINE FOR REPRODUCTION POWER
Rylnikova M. V., professor, Doctor of Technical Sciences, manager of department of the design theory of mining exploitation, rylnikova@mail.ru, IPKON RAS, Russia, Olizarenko V.V., candidate of technical sciences, associate professor, volizarenko@mail.ru, VPO «Bauman», Russia,
Linkov SA., candidate of technical sciences, associate professor, xx_linkov@rambler.ru, Russia, Zubkov A.A., candidate of Technical Sciences, State Educational Government-Financed Institution of Higher Professional Education of the Nosov Magnitogorsk State Technical University (NMSTU); prmpi@magtu.ru, Russia.
Facilities and parameters in mine conditions of electric energy from moving to mine tailings, backfill and mine water energy reproduction are study. Results of experimental
investigations estimated facilities of electric energy generation on breadboard model are provided. The strategies to project of electric reproduction execution on existing and developed mines.
Key words: technical water, mine drainage, tailings pulp, backfill, mine system, energy reproduction, renewable source, hydroturbine.
REFERENCES
1. 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.
2. Dolganov A.V. Povyshenie jeffektivnosti jekspluatacii vodootlivnyh ustanovok mednokolchedannyh rudnikov (Improving the efficiency of operating pumping plants copper mines). Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Ekaterinburg, Ur.GGU, 2012. 17 p.
3. 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.
