CC BY
15
© С.М. Штин, 2012
УЛК 622.331: 53.937:628.336.73 С.М. Штин
ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОРФА НА ДОПУСТИМУЮ СТАТИЧЕСКУЮ ВЫСОТУ ВСАСЫВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ НА ВСАСЫВАЮЩЕЙ ЛИНИИ ЗЕМЛЕСОСНОГО СНАРЯДА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ДОБЫЧИ ТОРФА, ОСЕВОГО НАСОСА ПОГРУЖНОГО ТИПА
Гидромеханизированные технологии должны отвечать высоким критериям сохранения окружающей среды как при освоении торфяно-болотных экосистем, так и при производстве и использовании экологически чистой продукции, получаемой из торфа, способной превратить торфяное сырье в рентабельный источник тепловой энергии.
Ключевые слова: торф, гидромеханизация, реологические характеристики, осевой насос, глубина всасывания, пластическая вязкость, начальное напряжение сдвига, формирование гидросмеси.
Повышение эффективности разработки торфянык месторождений при резком осложнении горногеологических и гидротехнических условий может быгть достигнуто лишь на основе единого комплекса теоретических и методологических обоснований рациональнык технологий, обеспечивающих, прежде всего, увеличение производительности основного оборудования, а также за счёт реализации прогрессивны« организационно-технических методов добычи торфа из обводненнык месторождений.
Торф состоит обычно из трёх фаз — твёрдой (остатки растений с минеральными примесями), жидкой, газообразной и является сложной полидисперсной, многокомпонентной, неоднородной, полуколлоидно-высокомолекулярной системой [4].
В обводненных торфяных системах, образующихся из обломков структур переплетения, состоящих из
остатков волокон растений - торфо-образователей, а также из надмолекулярных образований продуктов распада четко проявляются специфические особенности коагуляционных структур. Взаимодействие между элементами этих структур осуществляется непосредственно через функциональные группы за счет водородных связей, а также через молекулы воды и ионы многовалентных металлов.
В естественном и не переработанном торфе деформационные явления и прочностные характеристики во многом зависят от степени развития структур переплетения, механических свойств отдельный волокон. Как правило, структуры переплетения придают торфу упругость и высокоэла-стичность. При простом деформировании растление этих структур на отдельные элементы маловероятно. В большинстве случаев они разрушаются необратимо [1].
Реологические свойства торфа определяются природой, составом и соотношением остатков растений -торфообразователей и продуктов их распада, т. е. особенностями его структуры и характером внутри- и межагрегатных взаимодействий [7]. Непостоянство химического строения и высокая реакционная способность обуславливают повышенную чувствительность торфа к изменению внешних условий. Все это и определяет многообразие факторов, влияющих на его реологические свойства. Существенное влияние на реологические свойства торфа оказывает концентрация сухого вещества, а так же температура, давление, вакуумирова-ние, вибрирование, механическая переработка (диспергирование), ультразвуковая и электромагнитная обработка, обезвоживание, физико-химическое модифицирование и т. д.
Высокая реакционная способность компонентов торфа и низкая прочность структур сплетения обуславливают эффективность механических и физико-механических воздействий с целью регулирования реологических свойств торфяных систем на всех этапах: добыча, гидротранспорт, механическое обезвоживание, производство торфяной продукции [6].
Вместе с тем значения реологических характеристик торфа уменьшаются за счет разрушения структур переплетения и высвобождения части иммобилизованной воды. В результате повышается подвижность элементов структур торфа, и он переходит из нормально-пластической консистенции в ползучепластичную, что существенно изменяет упругокинема-тические характеристики и физико-механические свойства готовой продукции.
Реологические характеристики достаточно универсальны и несут
большую информацию о процессах, происходящих в торфяных системах, как в естественном состоянии, так и на различных стадиях производства, в том числе под влиянием технологических воздействий.
При течении вязкопластичных систем торфа наблюдаются различные режимы от структурного и псевдоламинарного до турбулентного и автомодельного, при этом характеристики самих торфов изменяются в широком диапазоне. Так, например, динамическое напряжение сдвигу изменяется от 1,3 до 20 Па. Критическая скорость изменяется в зависимости от влажности (Ш=97-90 %) в диапазоне 1/кр=1,9-6,5, предельное напряжение сдвига т от 105 до 95 Па, а плотность гидросмеси является функцией удельного веса скелета и влажности гидросмеси.
Всасывающая способность центробежных насосов, работающих на вязкопластичных жидкостях, обладающих реологическими характеристиками меньше, чем при работе на ньютоновских гидросмесях [5].
При течении гидросмеси во всасывающем трубопроводе, в приточных каналах грунтового насоса, напорном трубопроводах имеет место турбулентный поток, который во всасывающей линии насоса превращается в поток с не полностью разрушенной структурой. Удельные потери давления возрастают, при этом поверхность лопасти обтекается вязко-пластичным потоком, в то время как в остальной части межлопастного пространства скорости, соответствующие турбулентному потоку, падают, местное давление на входе в насос снижается, что способствует более раннему возникновению кавитации по сравнению с работой насоса на ньютоновской жидкости (например, вода). Прослеживается прямая связь между
Рис. 1. Опытный образец осевого насоса погружного типа (Проект УН-1СБ, п=960 об/мин, 0=500 мм, Ы=325 мм, г=4):
1 — патрубок всасывающий, 2 — корпус установки, 3 — патрубок выходной, 8 — лопасть рабочего колеса, 9 — корпус подшипникового узла, 15 — корпус редуктора, 20 — камера рабочая, 72 — подшипник 7307, 74 — электродвигатель погружной капсульный N=40 кВт, п =3000 об./мин
ухудшением всасывающей способности насоса, перекачивающего торфяные вязкопластичные смеси чем при перекачивании обычных песчано-гравийных гидросмесей [2].
Напрашивается вывод, что допустимая статическая высота всасывания грунтового насоса землесосного снаряда зависит от технологических характеристик торфа, изменения реологических характеристик и критической скорости потока, характеризующей переход структурного режима в псевдоламинарный. А применение на всасывающей линии осевого насоса погружного типа способствует преодолению начальных сдвигающих усилий (пластической вязкости и начальных напряжений сдвига), что способствует стабилизации процесса формиро-
вания гидросмеси с содержанием твердого до 30 % и обеспечивает глубину разработки до 15 м [9].
Известно, что трюмные центробежные грунтовые насосы земснарядов обладают весьма ограниченным запасом энергии не более 7-8 м вод. ст., что обеспечивает всасывание грунтовой смеси с глубины до 8 м [3]. Погружение центробежных грунтовых насосов под уровень воды имеет уже более высокий КПД, однако, при погружении под воду тяжелого и с большими габаритами центробежного насоса возникают технические сложности. Поэтому более рациональной схемой следует считать использование погруженного под воду осевого грунтового насоса в место центробежного.
Efficiency- К.П.Д.. 'У"
85 80 75 70 65 60 55
? 71
♦ ♦ —t
* - ♦
1
Рис. 2. Рабочая характеристика опытного насоса осевого типа
В осевых насосах движение воды или гидросмеси идет преимущественно в осевом направлении, поэтому лопастная система таких насосов получается как бы встроенной в цилиндрическую трубу, что обеспечивает осевым насоса конструктивную простоту, малые габариты и малые весовые характеристики по сравнению с другими типами лопастных насосов. Обладая высокими КПД и имея малые напоры (около 6-8 м в. ст.), но достаточные для решения проблемы повышения всасывающей способности трюмных центробежных насосов, осевые насосы нуждаются в существенно меньшем по мощности приводе. Имея такие конструктивные параметры, осевые насосы сравнительно хорошо вписываются в конструктивную схему грунтозаборных устройств земснарядов, не требуют их переделки с целью удифферентовки и хорошо компонуются с приводами механических рыхлителей.
Заслуживает внимания конструкция грунтового насоса осевого типа для разработки торфяных месторождений, которая разработана под руководством автора, совместно с Израильско-Российской Лабораторией Энергетических исследований при Ассоциации Международных энергетических исследований (Ассоциация СИРЛЭИ), на базе Ben Gurion University of the Negev [8]. Принципиальная особенность разработанного грунтового насоса осевого типа состоит в том, что он выполнен со специальным гидроустройством, обеспечивающим напороустойчивость его рабочих органов при перекачке абразивных материалов, возможность работы со скоростным двигателем. В этом отношении новый землесос имеет исключительное преимущество в сравнении с низкооборотными боль-
шого веса землесосами центробежного типа с тяжелым приводом. При этом насос способен обеспечить стабильные рабочие параметры и к.п.д., в нем исключается вредная циркуляция гидросмеси из напорной зоны во всасывающую, рабочая пара насоса защищена от абразивного износа, возможность кавитации лопастей колеса исключена. По результатам испытания опытного насоса осевого типа с рабочим колесом диаметром 500 мм при числе оборотов 960 об/мин, его производительность составляет 1500-2000 м3/час при напоре 10 м вод. ст. при высоком коэффициенте полезного действия равном 80% (рис. 1).
Рабочие характеристики опытного насоса осевого типа показаны на рис. 2. Важным достоинством новой конструкции для работы в качестве бустерного насоса на всасывающей линии землесосного снаряда является предусмотренное в ней изменение угла установки лопастей рабочего колеса
Рабочие характеристики опытного насоса осевого типа показаны на рис. 2. Важным достоинством новой конструкции для работы в качестве бустер-ного насоса на всасывающей линии землесосного снаряда является предусмотренное в ней изменение угла установки лопастей рабочего колеса для регулирования параметров, с целью синхронизации их с параметрами землесоса на борту земснаряда.
Включение насоса осевого типа во всасывающий трубопровод земснаряда, развивает дополнительный напор во всасывающей линии до 10 м вод. ст. в дополнение к напору бортового землесоса, обеспечивает плотность гидросмеси 1,30 г/см и глубину разработки обводненной торфяной зфлежи до 15 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афанасьев А.Е. Структурообразова-ние коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке. Монография. - Тверь: ТГТУ, 2003.
2. Животовский Л.С., Смайловская Л.А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. - М.: Машиностроение, 1986.
3. Иванов С.А. Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами. - М.: Горная книга, 2007.
4. Король Н.Т. Наиболее распространённые виды торфа европейской части РСФСР, их техническая характеристика и возможные направления использования / Труды института Гипроторфразведка. Вып. 1. - М., 1969.
5. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен. - М.: Мир, 1964.
6. Смирнов В.И. Управление процессом разработки торфяных месторождений: уч. пособие для вузов. - М.: Недра, 1985.
7. Штин С.М., Арефьев Н.Н. Метод определения реологических характеристик сапропеля. ГИАБ, МГГУ, в рамках "Неделя горняка-2007", №6, 2007.
8. Shtin S., Slepoy Yu. Improved Equip-meht For Mihihq ahd Deliverinq Raw Material to Dead Sea Works. Geological Survey of Israel, Jerusalem. 2-3. 12. 2002.
9. Штин С.М. Оценка глубин разработки земснарядами сапропелей в зависимости от их характеристик / сб.н.ст. Гидромеханиза-ция-2006. - М.: МГГУ, 2006. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Штин Сергей Михайлович - кандидат технических наук, доцент, [email protected] Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
ПРЕСС-СЛУЖБЫIГОРНЫ1Х КОМПАНИЙ СООБЩАЮТ -
Уточнены запасы месторождения проекта Mkuju River
Uranium One Inc. объявила об уточнении минерально-сырьевой базы месторождения проекта Mkuju River в Танзании. После проведения переоценки и дополнительных геологоразведочных работ запасы в категории Measured & Indicated были увеличены на 42 % - до 93,3 млн фунтов U3O8 (порядка 35,9 тыс. т урана). Запасы в категории Inferred составили 26,1 млн фунтов U3O8 (порядка 10 тыс. т урана). Общий размер минерально-сырьевой базы вырос со 101,4 млн до 119,4 млн фунтов U3O8 (ок. 45,9 тыс. т урана).
Mkuju River - флагманский проект австралийской публичной компании Mantra Resources Limited, 100 % акций которой были приобретены Урановым холдингом «АРМЗ». После закрытия сделки в июне 2011 г. Uranium One Inc. стала оператором проекта Mkuju River.
