Разработка и промышленные испытания новой технологии эрлифтного грунтозабора алмазосодержащих пород на шельфе Намибии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.3.05

© В.П. Дробадснко, Н.Г. Малухин, А.М. Лев, О.Д. Луконина,

С.В. Тимошенко, 2007

В.П. Дробаденко, Н.Г. Малухин,

А.М. Пев, О.А. Луконина, С.В. Тимошенко

РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭРЛИФТНОГО ГРУНТОЗАБОРА АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД НА ШЕЛЬФЕ НАМИБИИ

Разработка алмазосодержащих пород на шельфе Намибии ведется компанией «Баш1ког» (бывшая «Ыатко») с использованием эрлифт-ных установок специальной конструкции и «Краулеров», размещаемых на морских судах, оснащенных обогатительным оборудованием. «Краулеры» - подводные роботы на гусеничном ходу, оборудованные погружными насосами и механическим рыхлителем. Они отличаются большой производительностью за счет того, что оборудование располагается в непосредственной близости к забою. Однако значительные капитальные и эксплуатационные затраты, а также сложность конструкции, связанная с расположением насоса и электродвигателя под водой, передвижением агрегата по неровному и терещинова-тому с западениями плотику обусловливают недостаточную надежность, что является следствием значительных простоев всего выемочно-обогатительного комплекса. Следует отметить, что ремонт «Краулера» требует его подьема на борт судна.

Использование эрлифтов для добычи алмазов в шельфовой зоне обуславливается простотой его конструкции, легкостью обслуживания, высокой надежностью в работе, сравни-

тельно небольшими расходами на его изготовление, монтаж, эксплуатацию и ремонт. Кроме того, на судне размешены две эрлифтные установки, поэтому остановка одной из них не вызывает аварийной ситуации. По статистическим данным время работы судов с эрлифтами в 2-3 раза больше времени работы судов, оборудованных «Краулерами». К основным недостаткам эрлифтов следует отнести сравнительно низкую производительность, которая зависит в первую очередь от подготовки горной массы. В связи с этим, основной задачей являлась разработка механико-гидравлического комплекса высокой производительности, который может осушест-влять предварительное рыхление пород.

Московским государственным геологоразведочным университетом был разработан опытно-промышленный образец эрлифтного грунтозаборного устройства, которое было изготовлено, смонтировано, отлажено и испытано в 2004 году на борту судна «Namibian Gem».

Корабль снабжен двумя эрлифт-ными установками с диаметром пульпоподъемного трубопровода 500 мм, которые располагались на разных его бортах. Одна из них оснашена

Рис. 1. Технология эрлифтной добычи алмазосодержащих галечно-гравийно■ песчаных отложений

«традиционным» грунтозаборным устройством, существующем на судне несколько лет. Другая установка -опытным грунтозаборным устройством нового типа с маятниковым фартуком и предварительным гидровзвешиванием добываемых рыхлых пород. Кроме того, корабль снабжен обогатительным комплексом, перерабатывающим рыхлый материал с обеих эрлифтных установок одновременно. Работа эрлифтов и обогатительной фабрики обеспечивалась необходимым количеством генераторов, дизельных компрессоров и водяных электронасосов.

Грунтозаборное устройство жестко связано с металлической эрлифтной трубой, длиной 24 м и общим весом около 22 т. Далее гидросмесь поступает на судно по резиновым толстостенным (около 60 мм) шлангам внутренним диаметром 500 мм.

Металлическая эрлифтная труба подвешена на двух тросах бортовых кранах - манипуляторах. Передний трос - носовой закреплен у грунтозаборного устройства, задний -кормовой - у фланца соединен с резиновой подьемной трубой. Расстояние между кранами - манипуляторами составляет около 20 м. (рис. 1).

В рабочем положении эрлифтная металлическая секция расположена к плоскости донных алмазосодержащих отложений под углом, который изменяется в пределах 20^70°. Непосредственно технология грунтозабора и всасывания оценивается оператором по количеству горной массы, поступающей на грохот первичного обогащения,

Манипулирование натяжением носового и кормового тросов производится оператором в зависимости от конструкции грунтозаборного устройства, а также состава донных отложений т.е. может быть выбрана

Рис. 2. Грунтозаборное устройство конструкции

<^ашко»

различная схема и скорость перемещения грунтозаборного устройства. Г рунтозаборное устройство «традиционной» конструкции представляет собой раструб шириной по забою около 2 м и шириной щели 250 мм. В процессе работы оно скользит по дну на выступающих ребрах - перегородках всасывающих окон, размер которых составляет 210х250 мм (рис. 2).

Расход воздуха при эрлифтном подьеме с глубины 9 6 м составляет 57 м3/мин, при этом расчетная энергоемкость процесса подьема составляет 347 кВт.

Г рунтозабор осуществляется за счет контакта устройства, имеющего профиль полусферы, с забоем донных отложений, в результате чего всасывающий поток осуществляет лишь смыв горной массы в межребер-ное пространство устройства.

Такая технология грунтозабора является неэффективной по следующим причинам:

1. Значительное количество воды, поступающее в эрлифт, не участвует в процессе пульпоприготовления, т.к. всасывающее устройство перемещается по поверхности донных отложений.

2. Необходимые скорости всасываемого потока для размыва негабаритных кусков, формирующиеся в

плоскости всасывания превышают их гидравлическую крупность. Поэтому для перемещения твердого, лежащего в плоскости всасывания, необходимо затратить значительно большие усилия, чем при восходящем потоке в подьем-ной трубе эрлифта.

3. Вода при рассматриваемой технологии всасывания, как правило не может взвешивать частицы, а при известных условиях пригружает эти частицы. Пригружающее давление воды является главным сопротивлением, которое должно быть преодолено для приведения частиц твердого в движение в межреберном пространстве.

В ходе расчета и проектирования эрлифтной установки определялись следующие параметры: наружное

давление в плоскости всасывания грунтозаборного устройства, потери на трение в грунтозаборном устройстве и на входе потока гидросмеси в плоскости всасывания, гидростатическое давление от веса гидросмеси до смесителя эрлифта, полные потери давления 2-х фазного потока гидросмеси до смесителя эрлифта, динамическое давление, создаваемое эрлифтом в процессе работы, гидростатическое давление от веса 3-х фазной смеси (вода + твердое + газ) над смесителем эрлифта.

Новое всасывающее грунтозаборное устройство с активизацией процесса пульпоприготовления имеет ширину 2 м и 8 окон размером 180х220 мм, общей площадью в 1,47 раз превышающей поперечное сечение подьемного трубопровода эр-

Рис. 3. Новое грунтозаборное устройство, разработанное в РГГРУ

лифта 500 мм. Однако, принципиальные отличия заключаются в том, что его конструкция снабжена контактирующей с забоем качающейся рамой, имеющей в нижней части ряд полуцилиндрических всасывающих каналов, равномерно распределенных по всему периметру рамы, предотвращающие доступ излишней воды в эрлифт (рис. 3).

Кроме того, в центральной части установлены зубья для механического рыхления. Смещенные в горизонтальной плоскости друг относительно друга.

Для гидрорыхления крупнозернистого материала имеются 4 напорные насадки с напором 60 м вод. ст.

Конструктивные особенности нового грунтозаборного устройства предопределяют его основные преимущества:

1. Исключается пригружающее действие толщи воды.

2. Создаются благоприятные условия для гидровзвешивания и всасыва-

ния предварительно механически разрыхленных пород за счет гидродинамического воздействия напорных струй, истекающих из насадок со скоростью 33 м/с.

3. Скорости всасывания в плоскости грунтозабора составляют около 2,7 м/с, что позволяет перемещать и всасывать достаточно крупный материал, предотвращающий в значительной степени закупорку устройства.

4. Грунтозаборное устройство эксплуатируется в режиме всасывания «из-под слоя грунта», поэтому всасываемый поток прежде чем попасть в окна должен фильтроваться в турбулентном режиме критических скоростей через поровый обьем горной массы, всевдоожижая ее.

5. За счет воздействия гидроструй, происходит опережающее гидровзвешивание алмазосодержащего мелкого материала вокруг больших негабаритных валунов.

6. Предлагаемое грунтозаборное устройство позволяет частично про-

изводить механическое разрушение плотика и тем самым всасывать наиболее обогащенный алмазами материал.

Основной целью испытаний являлось обеспечение максимальной часовой производительности при добыче гравийно-галечно-глинисто-песчаных алмазосодержащих пород. Испытания проведены в акватории г. Ёюдерец (Намибия), выбор конкратных участков размером 250х200 м проводился по следующим критериям: глубина залегания, характер геологического строения и наличие фактических данных опробования рыхлых донных отложений, мощности и содержания алмазов. Было выбрано 6 участков на разных глубинах: 45-50 м; 65-7 м; 90-95 м, при мощностях отложений от 1,5 м до 5 м (по 3 участка на каждой лицензии). Характер геологических разрезов рыхлых отложений, глубина их залегания, содержание алмазов и параметры отобранных проб фиксировались геологическими колонками, построенными по данным шарошечного бурения.

Необходимо отметить, что на корабле не было измерительной аппаратуры для определения количества твердого материала поступающего по эрлифтным установкам на решетки виброгрохотов. Поэтому наблюдение за работой эрлифтных установок и количеством твердого обломочного материала поступающего с эрлифтных установок проводилось с использованием визуальной оценки и видеосьемки поступления всей поднимаемой горной массы на грохот за определенный промежуток времени.

В ходе испытаний была проведена экспертная оценка получения горной массы на вибрационный грохот независимыми экспертами, в том числе учитывался грансостав ранее опреде-

ленного геологического разреза в 2000-2002 гг.

Кроме того, производительность оценивалась также в процентах: 0 % -пустой грохот, 100 % - грохот полностью заполненный одним слоем твердого материала (без наложения кусков друг на друга), 200 % - двумя слоями и т.д. Оценка производительности осуществлялась по классу - 12 мм + 1,6 мм, хотя учет по «просеянной» фракции занимал объем горной массы. Как известно, любой грохот рассчитан на определенную производительность надрешетного и подре-шетного материала, поэтому увеличение ее приводит к накапливанию на грохоте материала и, как следствие, к сливу (потерям) «рабочей» фракции -12 мм.

В ходе испытаний интенсивность поступления материала была различной, а плотность его на сите изменялась от слабой (грохот закрыт обломочным материалом на 15-20 %), средней (25-45 %), сильной (50-80 %) до сплошной (100 %) «ковровой» дорожки толщиной от 5-6 см до 20-25 см. При этом грохот на последних 3-х м длины по всей его ширине закрыт обломочным материалом полностью. Как правило, «ковровая» дорожка появлялась, когда грунтозаборное устройство углублялось в песчаный щебнисто-глыбово-дресвяный слой и продолжалось до контакта с плотиком.

В таблице представлены расчетные часовые производительности нового грунтозаборного устройства, вычисленные по данным хронометражных наблюдений.

Результаты хронометражных наблюдений показали, что степень нагрузки виброгрохотов была неравномерной. Так многослойная загрузка при работе нового грунтозаборного устройства наблюдалась гораздо чаще. На рис. 4 представлены диаграм-

Pаcчeтная пpoизвoдитeльнocть уcтpoйcтва no тртй маcce

Разрабатывае- мые плошади Производительность Эксперт

(т/ч) В сравнении со «старым» эрлифтом

Участок №1 499,8 В 2,6 раза больше №1

524,8 В 2,7 раза больше №2

Участок №2 - В 3,5 раза больше №1

595,1 В 3,1 раза больше №2

532,5 В 2,7 раза больше №3

В среднем 552,1 В 2,9 раза больше

Конструкция «Namko

'многослойная"

8%

сильная

средняя слабая

31% 58%

Рж. 4. Стєпєнь и пpoдoлжитeльнocть загрузки вибpoгpoxoтoв (пpoдoлжитeль-Hocn и кoличecтвo матepиала на crne 12 мм.) матepиал зякр^іняєт: при cлабoй загрузи - 1Б % ceтки; при cpeднeй - БО %; при cильнoй - 100 %; при мнoгocлoй-

ной - 200 % н более

мы, характеризующие продолжительность и количество материала на грохоте 12 мм. Слабая загрузка означает, что материал закрывает 15 % решеток, средняя - 50 % сильная -100 %, многослойная - 200 % и более.

Таким образом, результаты приведенных испытаний, основанных на различных экспертных оценках про-

изводительности эрлифта с новым грунтозаборным устройством показали увеличение часовой производительности по твердому в среднем в 2,9 раза; продолжительность (стабильность подачи) высокой часовой производительности по горной массе составляет ~ 67 % против 12 % у существующей конструкции. ШИН

— Коротко об авторах

Дробаденко В.П., Малухин Н.Г., Лев А.М., Луконина О.А., Тимошенко С.В. -Российский государственный геологоразведочный университет.