CC BY
6Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2013 6) 394-402
УДК 622. 362. 3
Обоснование технологии майнообразования при разработке обводненных месторождений
В.Е. Кисляков*, О.А. Корзун
Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 04.05.2012, received in revised form 11.11.2012, accepted 28.12.2012
В статье приводится обоснование технологии майнообразования на основе использования теплоизолирующих материалов в форме цилиндров и шаров, а также представлена математическая модель зависимости удельного теплового потока от температуры воздуха, коэффициента теплопроводности и толщины различных типов теплоизолирующих материалов.
Ключевые слова: майна, земснаряд, теплоизолирующие материалы.
Введение
Известно, что большая часть инертных строительных материалов и россыпей Крайнего Севера и арктической зоны относится к обводненным, а их разработка осуществляется в основном землесосными снарядами, непредназначенными для работы в условиях длительных отрицательных температур воздуха, поэтому работы носят сезонный характер. Сезонность оказывает неблагоприятное влияние на деятельность горных предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения. Это влияние заключается в снижении рентабельности этих предприятий за счет продолжительного периода зимнего отстоя земснарядов и, как следствие, их низкой годовой производительности.
Для обеспечения возможности технологических перемещений земснарядов в зимний период в забое поддерживают участок незамерзающей водной поверхности (майну).
Существуют различные способы майнообразования, имеющие свои достоинства и недостатки [1, 2]. К основным недостаткам известных способов образования майны можно отнести высокие энергетические затраты и большую трудоемкость работ, что ограничивает их применение для продления добычного сезона земснарядов [3, 4]. В этой связи создание эффективных технологий майнообразования при разработке месторождений нерудных материалов и россыпей является актуальной научно-практической задачей в современных условиях развития горнодобывающей отрасли.
Целью исследований стало увеличение продолжительности добычного сезона при разработке обводненных месторождений путем покрытия водоемов теплоизолирующим материа-
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: vkislyakov@sfu-kras.ru
лом (ТИМ) в виде конструктивных элементов определенной формы, что предотвращает льдообразование на поверхности водоемов и позволяет земснарядам свободно мвневрировать.
Результаты исследований применения ТИМ
При покрытии технологического водоема теплоизолирующим материалом происходит искусственное затухание конвекции в его верхних слоях. За счет покрытия ТИМ поверхности участков подготовленных запасов полезввго ископаемого в зимний период предотвращается образование льдс, что ведет к снижению энергетических затрат, связавных с уборной льду в весенний период.
Нанесение теплоизолирующих конструктивных элементов в форме шаров и цилиндров, выпвлоенных из материалз (пенопласт, пластик, пенополиуретан и др.) темного цвета, на поверхность технологического водоема св щественно сохранвет его тенлоемкость [5, 6]. Соединение ТИМ цилиндрической (формы между зобой тягам и и утяжеление осей чередованием чврез один цилиндр способствуют восстановлению прежнего состояния покрытия водоема после маневрирования (рис. 1). Шаровидная форма также придает свободное маневрирование земснарядам [7, 8].
В ходе разработки обводненных месторождений при устойчивых отрицвтельных темпера-тлуах воздуха пв условиям безопаснвоти необхвдимо учитывать толщино замерзания грунта
Рис. 1. Майнообразование с использованием теплоизолирующих цилиндров и шаров: 1, 2 - цилиндры из ТИМ одинаковой влнны болсшего диаметра верхнего ряда и меньшего аиаметра нижнего ряда соответственно; 3 - ось цилиндров; 4 - тяги, шарнирно закрепленные к осям; 5 - понтон; 6 - ледяной покров; 7 - шары из ТИМ
Рис. 2. Пример технологической схемы зимней гидромеханизации: 1 - слой неразрыхленной мерзлоты; 2 - утепление; карьера плитами ТИМ; 3 - слой раорыхленной мерзло ты, подготовленной к выемке; 4 -земснаряд; 5 - шары из ТИМ для поддержания майны; 6 - плавучий пульпопровод; 7 - ледяной покров; 8 - береговой пульпопровод
надводного борта, так оок при промерзании толщины грунта выше допускаемой нормы будут обрушаться мерзлые «козырьки» в зону грунтозабора (рис. 2). Поэтому грунт надводного борта необходимо утеплять [9, 10].
На основании основного закона теплопроводности (закона Фурье) разработана математическая модель зависимости удельного теплового потока от коэффициента теплопроводности, толщины теплоизолирующих материалов и температуры воздуха:
q = И тим-1 (3,828 X - 1,010 >Лв - 0,024 ^ - 0,224), (1)
где Ьрим - толщина ТИМ, покрывающего технологический водоем в месте производства горных работ, м;Х - коэффициент теплопроводности ТИМ, Вт/(м-0С); ^ - температура воздуха, оС.
При выборе ТИМ для определенной температуры воедуха предлагается использовать параметр, произведения удельной теплоемкости на толщину ТИМ:
Рт= трОи,. (2)
Эффдктивность материала можно оценить углом наклона прямых линий, представленных на графике (рис. 3):
т = агс^ ^ / Ш). (3)
Результаты расчетов по формуле (2) изображены в виде графиков на рис. 4.
Из представленных графиков видно, что ТИМ можно условно разделить на три категории: высоко-, средне- и низкоэффективные. Так, при а=0^15 град - высокоэффективные ТИМ, а=15^40 град - среднеэффективные ТИМ, а=40^70 град - низкоэффективные ТИМ.
Лучшим вариантом теплоизолирующего материала является категория высокоэффективных ТИМ (пенополиуретан, а его толщина, препятствующая замерзанию водоема при температуре воздуха минус 30 °С, равна 0,05 м (рис. 4). Также хорошим теплоизолятором является воздух, при минус 30 °С слой воздуха в 0,25 м изолирует от промерзания водоема). Таким образом, учитывая теплофизические параметры ТИМ, оболочка шара может быть из пенополиуретана, а внутри шара - воздух. Диаметр шара 0,25 м, толщина оболочки шара примерно равна 0,005 м, масса одного шара 71 г.
Для выбора оптимальной толщины теплоизолирующего материала, покрывающего водоем для защиты от его промерзания, должно соблюдаться условие:
я
•«с
30
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Рис. 3. Зависимость коэффициента Рт от отрицательной температуры воздуха для ТИМ (а скобках: плотность ТИМ в кг/м3 и коэффициент теплопроводности, Вт/м): 1 - воздух ( 1,29; 0,24 ), 2 - винил (1,517; 0,17), 3 - дерево (50)0-800; 0,12-0,20), 4 - минеральная шерсть (200; 0,92), - пенопласт ("75-100; 0,0370,0443), 6 - пенополистирол (50; 0(003), "7 - пластик (1,8; 2,8), 8 - пенополиуретан (60); 0,025), 9 - пенобетон (400-600; 0,8-1,1) 1 0 - резина (12200; 0Д6), 11 - шлак гранулированный (500-600; 0,1-015), 12 - шлаковата (200-300; 0,034-0,07)
н
т
Й о н о
а
«
о «
о ч а
0
н «
4
Л
ч
0 £
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
1 1,5 2 2,5 3
Толщина по4йпрои8тилйоа, м
Рис. 4. Зависимость удельного теплового потока от толщины пенополиуретана
qтим < qл при температуре °С минус 30 °С, (4)
где qтим - удельный тепловой поток при покрытии водоема теплоизолирующим материалом, Вт/м2; qл - удельный тепловой поток при покрытии водоема ледяным покровом, qл = 26-32 Вт/м2.
Технологический водоем должен отрабатываться этапами. На примере Терентьевского песчано-гравийного месторождения (Красноярский край) показана схема отработки технологического водоема этапами (рис. 5).
А - разработка полезного ископаемого в летний период;
В - разработка полезного ископаемого с теплоизолирующим материалом (в форме шаров и цилиндров) в период с устойчивой отрицательной температурой (ноябрь и начало декабря);
С - подготовка участка с запасами для выемки в весенний период (ТИМ в форме плит);
С/ - разработка подготовленного на этапе С участка с запасами в весенний период.
При разработке обводненных месторождений земснарядами при устойчивых отрицательных температурах воздуха майна делится на четыре зоны: левая бортовая зона (равна длине корпуса земснаряда L6.з=Lк), правая бортовая зона (равна длине корпуса земснаряда L6.з= Lк), кормовая зона (длина равна Lк.з= L - Lк - Lгр.уст) и призабойная зона (равна расстоянию от начала грунтозаборного устройства земснаряда до забоя, Lп.з) (рис. 6).
В таблицах 1, 2 представлены параметры майнообразования для земснарядов разной производительности.
Модель зависимости площади майны от ширины заходки земснаряда
8м = 7,597•Ь2 - 340 Ь + 4561, (5)
или
4
3
2
1 /уС.'•/ / /
1? / / / /
о о " 6о о«/о ;
11
10
9
а А
1
е
5
Рис. 5. Пример распределения технологического водоема на этапы отработки (цифрами показаны месяцы года, буквами - этапы отработки)
Таблица 1. Параметры майнообразования при применении земснарядов
Производительность земснаряда, м3/ч Ширина заходки земснаряда (Ь), м Длина майны, L м Длина бортовых зон, м Длина призабойной зоны, м -п.з Длина кормовой зоны, м — -гр.уст
До 1200 20 30-40 22, 02 3 5-15
1200-2200 26 39-46 31 5,5-10 2,5-5
2200-4000 35 40-52 33,6 3-12,4 3,5-6
Более 4000 40-45 62,5-89 36 15 11,5-38
Таблица 2. Скорость подвигания земснарядов
Производительность земснаряда, м3/ч Ширина заходки земснаряда, м Площадь майны, м2 Скорость подвигания земснаряда, м/ч Скорость подвигания земснаряда с погружным грунтовым насосом, м/ч
До 1200 20 600-800 3,3-30 1,5
1200-2200 26 1000-1200 3,3-42,3 1,5-2,1
2200-4000 35 1400-2000 4,7-57,1 2,1-2,9
Более 4000 40 2500-4000 6,3-75 2,9-3,75
Рис. 6. Зоны майны: 1 - призабойная; 2 - правая бортовая; 3 - левая бортовая; 4 - кормовая; 5 - земснаряд; 6 - лед
L =7,597 •Ь + 456ЛО-340, (6)
' Ь '
где Sм - площадь майны, м2; L - длина майны, м;Ь - ширин— заходки земснаряда, м.
Зависимость площади майны от ширины заходки земснаряда носит экспоненциальный характер) (рис. 7).
Были определены зависимости минимальной площади майны земснаряда от производительности по грунту и по пульпе, размеров понтона земснаряда. Зависимости на графиках носят линейный характер (рис. 8-10).
л ~
о Й
ё о
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
20
30
40
Шорона з—ходко зеасн-ряда, Ь, ас
Рис. 7. Зависимость площади майны от ширины заходки земснаряда
с
с й
о
§ ю
к
й й ч к
Й «
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
200 400 600 800
Площаст корпуса земсьаряса, Sк , м2
Рис. 8. Зависимость минимальной площади майны от площади корпус а
4500
Л 4000
ч
а э 3500
л 15 3000
п я й С0 2500
а
и л 2000
л 15
а « 1500
а
к 0 1000
к 500 0
0 200 400 600 800 1000
Преоавесотелтьестт аемсьарясев по груьту, 8гр, м3/ч
Рис. 9. Зависимость минтмалтной площади майны от производительности земснарядов по грунту
§ и я ^
й я
§
¡8 2
Я
К
4500 4000
3000
1500
500
Производительность земснарядов по пульпе, Sп, м3/ч
Рис. 10. Зависимо сть минимальной площади майны от производительности земснарндов по пульпе
0
0
В результате расчетов найдена минимальная площадь по крытия зоны водоем;! ТИМ в виде шаров и цилиндров.
Для исследования теплоизолирующих материалов на практике были прпведены эксперименты по испытанию льда на сжатие и изгиб на разрывно й машине LFM 20 кЫ", а также определена удельная нагрузка, необходимая для разрушения льда. Таким образом, из проведенных расчетов и опытов видно, что способы поддержания майны с использованием теплоизолирующих шаров и цилиндров позволят снизить прочность льда и, следовательно, продлить срок добычного сезона земснаряда.
Выводы
В результате проведенных расчетов выявлено, что при покрытии водоема теплоизолирующим материалом в зимний период происходит искусственное затухание конвекции в верхних слоях водоема и, следовательно, отодвигаются сроки льдообразования. Форма теплоизолирующего материала должна быть цилиндричесной и (или) шарообразной, что обеспечивает свободное маневрирование в нем земснаряда.
На основании основного закона теплопроводности разработана математическая модель зависимости удельного теплового потока от коэффициента теплопроводности, толщины теплоизолирующих материалов и температуры воздуха, что по зволяет определить эффективный теплоизолирующий материал, его рациональные размеры и количество.
Для создания эффективного маневрирования предложен раскрой! майны относительно земснаряда на четыре зоны: левая бортовая, правая бортовая, кормовоя и призабойная. Доказано, что наибелее эффективное респределение теплоизолирующего материала в форме цилиндров - это бортовые зоны майны, а шарообразной формы - остальные зоны майны.
Получена модель зависимости параметров майны (ширина, длина и площадь майны) от ширины заходки земснарядов. Определены зависимости минимальной площади майны от различных типов земснарядов. Зависимости носят линейный характер.
На примере Терентьевского песчано-гравийного месторождения (Красноярский край) рекомендовано технологический водоем отрабатывать в четыре этапа: А, В, С, С/.
Таким образом, доказано повышение эффективности разработки обводненных месторождений при устойчивых отрицательных температурах воздуха за счет принципиально новых
способов образования майны с применением плавающего теплоизолирующего материала, представленного в форме шаров и цилиндров, а также плит для участков, подготовленных к разработке.
Список литературы
[1] Кисляков В.Е., Корзун О.А. // Маркшейдерия и недропользование. 2009. № 1. C. 24-26.
[2] Kislyakov V.E., Korzun O.A., Lakin D.A. // Russian Geology and Geophysics, special Issue Problems of geology and development of hydrocarbon and mineral resources in the Russian arctic. 2010. № 51. С. 143-145.
[3] Кисляков В.Е., Корзун О.А., Гузеев А.А. // Инновационное развитие горнометаллургической отрасли [Электронный ресурс]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.
[4] Кисляков В.Е., Корзун О.А., Гузеев А.А. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: материалы 8-й Междунар. НТК. Красноярск: ИПК СФУ, 2010. С. 163-166.
[5] Кисляков В.Е., Корзун О.А, Гузеев А.А. Пат. РФ 2421571 (2009) // Бюл. № 17. (2011).
[6] Кисляков В.Е., Корзун О.А. Пат. РФ 2424399 (2010) // Бюл. № 20 (2011).
[7] Korzun O., Kislyakov V. // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2011 4) 275-282.
[8] Кисляков В.Е., Корзун О.А., Шершнев А.А., Гузеев А.А. Пат. РФ 2414561 (2009) // Бюл. № 8. (2011).
[9] Корзун О.А. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: материалы 6-й Междунар. НТК. Красноярск: ИПК СФУ, 2008. С. 146-152.
[10] Кисляков В.Е., Корзун О.А., Гузеев А.А. // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: материалы 9-й Междунар. НТК. Красноярск: ИПК СФУ, 2011. С. 163-170.
Substantiation of Technology of Formation of Ice Cracks when Developing Drowned fields
Victor Е. Kislyakov and Olga А. Korzun
Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The article provides a rationale for technology offormation of ice cracks using insulating materials in the form of cylinders and spheres, as well as the mathematical model of the dependence of the heat flux from air temperature, thermal conductivity and thickness of various types of insulating materials.
Keywords: lane, dredge, thermal insulation materials.
