Результаты экспериментальных исследований водо-шлаиоотделения в придонной зоне при гидромеханизированной добыче железомарганцевых конкреций

Тарасов Ю.Д.; Шишкин П.В.

2004

УДК 532

Ю.Д. Тарасов, П.В. Шишкин

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДО-ШЛАИООТДЕЛЕНИЯ В ПРИДОННОЙ ЗОНЕ ПРИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ

Семинар № 16

нтерес к полезным ископаемым морей и океанов в наши дни не случаен: многие месторождения суши истощаются, быстрый рост населения земного шара, а вместе с ним и потребностей в производстве средств производства и предметов потребления заставляет искать новые источники минерального сырья. С образованием СНГ эта проблема коснулась России, так как богатые месторождения руд цветных металлов находятся в средней Азии, а месторождения, находящиеся на территории РФ малы, поэтому их добыча в шельфовых зонах и тем более в акватории Балтийского моря представляется в обозримом будущем неизбежной и экономически выгодной.

Месторождения железомарганцевых руд в виде шарообразных желваков в Балтийском море характеризуются следующими показателями: глубина моря в зоне размещения залежей - до 60 м; средняя плотность распределения конкреций -около 30 кг/м2; содержание в конкрециях марганцевых минералов - до 27 %, железистых - до 32 %; крупность желваков товарной фракции 10^40 мм, средневзвешенный размер - около 20 мм (фракции менее 10 мм не являются товарными из-за низкого содержания полезных компонентов); плотность конкреций - 1100^1200 кг/м3; прочность в сухом состоянии - не более 0,2^0,5 МПа.

Возможны различные способы добычи конкреций с базового судна с размещенным на нем оборудованием для первичной обработки поступающей гидросмеси:

а) с использованием различных механических устройств периодического действия -драг или канатно-скреперных устройств с силовыми установками на базовом судне;

б) систем гидромеханизированной разработки с размещением грунтового насоса с рыхлителем в придонной зоне на самоходном устройстве или манипуляторе, управляемом с базового судна.

Первый способ прост в конструктивном исполнении, имеет небольшую металлоемкость и относительно низкие показатели энергоемкости и трудоемкости при подводной разработке полезных ископаемых. Недостатки: малая производительность, не полная извлекаемость конкреций с место- рождения, загрязнение поверхности акватории донными илистыми отложениями при подъеме транспортного сосуда на поверхность.

Гидромеханизированный способ разработки конкреций позволяет устранить недостатки механического метода, однако он характеризуется высокой энергоемкостью, значительной металлоемкостью, сложностью управления, реализация способа связана с необходимостью устройства специального трубопровода для возврата значительного объема избыточной воды и шлама на дно при обезвоживании добываемой пульпы на борту базового судна.

Перечисленные недостатки в значительной мере вызваны тем, что при гидромеханизированной добыче конкреций гидросмесь значительно обводнена и загрязнена шламом и нетоварными фракциями конкреций. Существенно повысить эффективность гидромеханизированного способа добычи железомарганцевых конкреций с шельфа Балтийского моря можно путем обезвоживания (со снижением влагосодержания примерна вдвое) и обесшламливания гидросмеси непосредственно в придонной зоне за счет перфорации напорного участка пульпопровода вблизи силового агрегата (рис. 1).

Рис. 1. Схема добычного комплекса: 1 — силовой агрегат; 2 - устройство для сгущения и обесшламливания гидросмеси; 3 - основной участок пульпопровода; 4 -базовое судно

Устройство для сгущения и обесшламли-

Рис. 2. Расчетная схема к определению параметров устройства для сгущения иобесшламливания гидросмеси: У1 и У2 - расход гидросмеси в начале и конце перфорированного участка пульпопровода; У - расход удаляемой из пульпы воды со шламовыми частицами

10

вания гидросмеси (рис. 2) представляет собой перфорированный патрубок с переменной площадью поперечного сечения по его длине и с уменьшением этой площади в сторону от силового передвижного агрегата. Размер отверстий на поверхности перфорированного патрубка, через которые удаляются избыток воды и шламовая составляющая, принимается чуть меньше минимального размера частиц кондиционной фракции добываемых конкреций.

Преимущества предлагаемого варианта добычного комплекса: уменьшается в любое заданное число раз водосодержание и соответствующий ему расход гидросмеси (например, вдвое) на основном участке пульпопровода от силового агрегата до базового судна; уменьшается (примерно вдвое) диаметр пульпопровода; значительно снижается масса всей системы добычи и транспортирования гидросмеси; уменьшаются энергоемкость транспортирования гидросмеси и установленная мощность привода грунтового насоса; упрощается система управления процессами добычи и транспортирования гидросмеси на базовое судно; повышается экологическая безопасность при разработке конкреций за счет существенного снижения уровня загрязнения акватории, в том числе за счет исключения загрязнения поверхности водоема.

Процесс снижения влаго- и шламосодержа-ния пульпы обеспечивается за счет незначительного избыточного давления, создаваемого грунтовым насосом.

Длина перфорированного участка пульпопровода с другими параметрами добычного комплекса связана следующим уравнением:

I =

(5 - ^0)12 = жг550( Д + й2)С Щ (5 - 5„)1:

^55о( Д + А)^( 2(— - gH)

Го

где У5 - объемная производи-

те. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда гидротранспорта

Таблица 1

Конструктивные параметры перфорированных патрубков

начальный и конечный

01/02 Количество отверстий й, мм Суммарная площадь отверстий, мм2

50/32 72 2 226,2

50/32 96 2 301,6

50/32 120 2 375,0

50/32 72 2,5 353,4

50/32 96 2,5 471,2

50/32 120 2,5 589,0

50/32 72 3 508,9

50/32 96 3 678,6

50/32 120 3 848,2

о/о7

Рис. 5. Зависимость отношения объемов О и О от суммарной площади (¥) отверстий в перфорированном патрубке

тельность по конкрециям, м3/ч; £ , 5^ - концентрации гидросмеси на основном участке пульпопровода и гидросмеси, захватываемой грунтовым насосом из подводного забоя;

Рис. 4 Зависимость отношения объемов О и О от избыточного давления в трубопроводе

А, А -

диаметры перфорированного участка пульпопровода, м; С -скорость истечения воды со шламовыми частицами через отверстия на перфорированном участке пульпопровода, м/с; ц -

коэффициент сужения струи; Рн - напор, создаваемый грунтовым насосом, Па; Н - глубина водоема, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; X = а / d, а и (1 -шаг расстановки и диаметр отверстий

Для опытной проверки параметров водоотделения в придонной зоне разработан экспериментальный стенд (рис. 3), который состоит из резервуара с «гидросмесью» 1, имеющего три положения по высоте для создания избыточного напора, вентиля 2, перекрывающего доступ гидросмеси в напорный трубопровод 4, патрубка постоянного подвода воды 8. Перфорированный патрубок 3 располагается в придонной зоне резер-вуара-«водоема» 6 (1000x600x1000 мм). Основной участок трубопровода 5 с вентилем 11 сообщается с приемным резервуаром 7 -«базовым судном» (470x420x800 мм). Все резервуары имеют средства измерения уровня жидкости 9, поплавкового типа. Экспериментальные исследования проведены со сменными патрубками (табл. 1) при соотношениях начального и конечного диаметров (Б^г) 50/32, 50/40, 50/50.

Для каждого перфорированного патрубка замеры производились при трех значениях избыточного давления. Данные, полученные в результате эксперимента для одного патрубка с параметрами: = 50 мм, = 32 мм, (йот,, = 2 мм,

представлены в табл. 2.

Экспериментальными исследованиями процесса сгущения установлена зависимость расхода воды через отверстия перфорированного патрубка от его геометрических параметров (суммарной площади (р) отверстий на поверхности перфорированного патрубка, диаметра отверстий, отношения начального (Б[) и конечного (Б2) диаметров перфорированного патрубка) и от избыточного давления, создаваемого насосом.

№ п/п Избыточный напор, АН, м Суммар. площадь отверстий, мм2 Уровень воды в резервуаре (водоем), м Время экс-пер. (1), сек Уровень воды в приемном резервуаре, м

начальный конеч- ный разница

1 2 3 4 5 6 7 8

1 226,2 0,55 0,60 0,05 54,1 0,292

2 2,45 301,6 0,55 0,60 0,05 41,5 0,220

3 375,0 0,55 0,60 0,05 35,0 0,191

4 226,2 0,55 0,60 0,05 62,5 0,313

5 1,93 301,6 0,55 0,60 0,05 46,9 0,262

6 375,0 0,55 0,60 0,05 40,0 0,200

7 226,2 0,55 0,60 0,05 78,5 0,384

8 1,56 301,6 0,55 0,60 0,05 59,2 0,278

9 375,0 0,55 0,60 0,05 46,3 0,453

Примечание. В столбцах 7 и 8 указаны средние значения десяти опытов

Оценка результатов экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Подтверждена возможность сгущения пульпы непосредственно в придонной зоне за счет устройства перфорированного участка напорного трубопровода вблизи силового агрегата.

2. Отношение объема жидкости, исте-каемой через отверстия перфорированного патрубка к объему жидкости, транспортируемой в приемный резервуар (^), от избыточного давления (АР) (рис.4) и от суммарной

площади (Р) отверстий патрубка (рис.5) определяются линейными зависимостями вида:

= К1 + К2- АР;

= Кз + К4- Р, где К1 = 0,8; К2 = 0,26; К3 = 0,5; К4 = 0,535.

3. Коэффициент сжатия струи (ц) при истечении жидкости через отверстия перфорированного патрубка, рассчитанный по значениям параметров, приведенных в табл. 2, варьируется в пределах 0,31-0,35 и мало зависит от избыточного давления и геометрических параметров патрубка.

— Коротко об авторах ----------------------------------

Тарасов Юрий Дмитриевич — профессор, доктор технических наук, Шишкин П.В. - СПГГИ.

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СМОРОДОВ Евгений Анатольевич Методы повышения надежности и эффективности технологического и энергетического оборудования в процессах добычи и транспорта нефти и газа 05.02.13 05.26.03 Д.т.н.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Тарасов Ю. Д., Шишкин П. В.