Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эффективности и перспективы применения комплексов непрерывного действия дня разработки связных пород при отрицательных температурах 11-46
1.1. Современное состояние и перспективы использования комплексов непрерывного действия в погодно-климатических условиях Севера 11-23
1.2. Адгезионные свойства пород погребенных россыпей 23-31
1.3. Особенности криогенных процессов в связных породах и физические свойства мерзлых пород 31-35
1.4. Анализ существующих способов и средств борьбы с налипанием и намерзанием связных пород на рабочие поверхности комплексов непрерывного действия 35-43
1.5. Выводы, цель, задачи и методика исследований 43-46
2. Влияние погодно-климатщеских условий на адгезионно- криогенные явления при перемещении связных пород .47-92
2.1. Основные климатические факторы, влияющие на процесс тепло- и массопереноса в зоне адгезионного контакта связной породы 47-49
2.2. Исследование тепло- и массопереноса на адгезионном контакте связной породы и рабочей поверхности при неравенстве их температур 50-56
2.3. Влияние поля влагосодержания на адгезион-но-когезионные явления 56-75
2.4. Исследование влагопереноса во влажной связной породе при наличии на адгезионном контакте свободной влаги 75-85
2.5. Влияние температур породы и воздуха на адгезионно-криогенные явления при разработке и транспортировании горной массы 85-91
2.6. Выводы 91-92
3. Исследование процессов профилактического промораживания горных пород 93-
3.1. Выбор метода решения задачи Стефана при промораживании и оттаивании пород 93-97
3.2. Вывод уравнения промораживания и оттаивания влажной породы 97-101
3.3. Исследование профилактического промораживания связных пород для предотвращения налипания и намерзания 101-110
4. Разработка рекомендаций по борьбе с налипанием и намерзанием связных пород на рабочие повершости комплексов непрерывного действия в условиях севера 112-136
4.1. Разработка календарного графика примене ния способов и технических средств борьбы
с налипанием и намерзанием горной массы 112-117
4.2. Методика инженерного расчета технологических параметров буферных отвалов 117-119
4.3. Технические и технологические решения, предотвращающие налипание и намерзание связных пород 119-129
4.4. Рекомендации по борьбе с налипанием и намерзанием горной массы при разработке погребенных россыпей Алданского района роторными комплексами непрерывного действия 129-133
4.5. Расчет технико-экономической эффективности использования естественных низких отрицательных температур для слоевой криогенной подготовки связных пород погребенных россыпей в условиях Алданского района ЯАССР 133-136
Заключение 138-140
Литература 141-150
Приложения 151-154
- Адгезионные свойства пород погребенных россыпей
- Исследование тепло- и массопереноса на адгезионном контакте связной породы и рабочей поверхности при неравенстве их температур
- Исследование профилактического промораживания связных пород для предотвращения налипания и намерзания
- Методика инженерного расчета технологических параметров буферных отвалов
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми ЛУІ съездом КПСС, предусмотрено "В цветной металлургии обеспечить укрепление сырьевой базы действующих предприятий, а также ее дальнейшее опережающее развитие" /Ї/. При этом особое внимание уделяется расширению сырьевой базы золотодобывающей промышленности и ее перспективам, связанным с вовлечением в эксплуатацию открытым способом погребенных россыпных месторождений в районах Урала, Сибири, Севера и Северо-Востока СССР,
Анализ сравнительной оценки оборудования, проведенный Институтом горного дела Севера ЯФ СО АН СССР и комбинатом "Алдан-золото ".показал, что для разработки погребенных россыпей со значительным содержанием глин наиболее высокопроизводительным оборудованием являются серийно выпускаемые роторные комплексы на базе экскаватора ЭРП-1250...2500 производительностью до 2500 м3/час при совместной работе со стационарной обогатительной фабрикой /2, ЗД Вместе с тем предполагается отработка обводненной части россыпи с использованием дражной техники.
Использование высокопроизводительных роторных комплексов на вскрышных и добычных работах как в условиях Алданского района, так и северных регионах СССР выдвигает ряд научно-технических задач по обеспечению эффективной работы комплексов непрерывного действия в сложных горно-геологических и климатических условиях, особенно при отрицательных температурах. Одной из основных задач, в связи с этим, является изучение и устранение адгезионно-криогенных явлений, которые вызывают интенсивное налипание и намерзание горной массы на добычное и транспор-
тное оборудование и тем самым значительно снижают его производительность.
Несмотря на значительные усилия многих организаций, направленные на разработку и совершенствование разнообразных способов и технических средств очистки рабочих поверхностей высокопроизводительного горнотранспортного оборудования от налипших и намерзших связных пород, при отрицательных температурах имеют место длительные простои комплексов непрерывного действия (до 30...40$ от календарного времени их работы).
До настоящего времени нет достаточно эффективных способов борьбы с этим явлением, что связано с недостаточной изученностью адгезионно-криогенных процессов для условий северных регионов.
Целью диссертационной работы является установление влияния тепло- и массопереноса на изменение прочности адгезионного контакта глинистых пород с рабочими поверхностями горного оборудования при естественных температурах, позволившего разработать методику выбора способов и технических средств борьбы с налипанием и намерзанием горной массы в зависимости от погодно-климатических условий северных регионов, обеспечивающих повышение производительности и продление сезона работы комплексов непрерывного действия в этих условиях.
Для достижения поставленной цели был проведен анализ влияния на налипание и намерзание связных пород различных факторов. Выявлено, что основными факторами, влияющими на интенсивность налипания и последующего намерзания связных пород, является их влажность, а также естественный температурный перепад между талыми породами, взятыми из вскрышного или добычного забоя, и низкими отрицательными температурами рабочих поверхностей горно-
транспортного оборудования при существующих в условиях Севера резких суточных и сезонных колебаниях температур.
Исходя из цели диссертационной работы, был исследован процесс теплообмена меаду связными породами, прошедшими естественную или искусственную криогенную подготовку, и рабочими поверхностями горнотранспортного оборудования, что позволило определить параметры, при которых возможна транспортировка горной массы без налипания и намерзания.
Установлены условия промораживания горного массива или кусков горной массы в зависимости от времени транспортирования, температуры окружающей среды и свойств породы, тем более, что современные конструкции роторных экскаваторов, а особенно с повышенным удельным усилием копания, являются вполне приспособленными для выемки глинистых грунтов в мерзлом состоянии /4/.
В практическом плане работа содержит рекомендации по криогенной подготовке связных пород при отрицательных температурах с их последующей транспортировкой конвейерным транспортом в условиях Алданского района и . , рекомендации по их разработке с использованием роторных комплексов.
Основная идея работы заключается в использовании для борьбы с адгезионными явлениями криогенной подготовки связных пород и применении материалов с низким коэффициентом тешюусвоения для рабочих поверхностей горного оборудования.
При выполнении работы велись:
теоретические исследования для количественной и качественной оценки интенсивности адгезионных и криогенных процессов как в отдельных кусках горной массы, так и в транспортируемом ее объеме при различных температурах окружающей среды;
экспериментальные исследования липкости связных пород
погребенных россыпей Алданского района в зависимости от их влажности, удельного давления, времени контакта с поверхностью, температуры и материала штампа;
- натурные наблюдения процесса транспортирования горной
массы, не прошедшей и прошедшей криогенную подготовку, при ра
зличных комбинациях ее загрузки на конвейер в условиях отрица
тельных температур.
В диссертационной работе отражены следующие новые научные положения:
установлены новые закономерности изменения влагосодер-жания в приконтактном слое горной массы под влиянием термодиффузии влаги, вызванной температурным напором на адгезионном контакте, которые обусловливают изменение налипания связной горной массы на рабочие поверхности добычного и транспортного оборудования не более чем на Ь%;
установлено, что температура в слое горной массы, контактирующем с рабочей поверхностью горного оборудования, будет отрицательной, если Tg + Т/К < 0 , и положительной, если
Т» -f- T0/KF > О ; при этом в первом случае имеет место намерзание горной массы, а во втором - налипание, где L - температура воздуха и соответственно рабочей поверхности горного оборудования, и Т - начальная температура горной массы. Для этих двух условий разработаны соответственно способ криогенной подготовки горной массы и способ, использующий футеровку рабочих поверхностей горного оборудования специальными материалами;
- установлено, что при попадании на рабочие поверхности
горного оборудования пленки свободной воды прочность адгезион
ного контакта и налипание на них связной горной массы существен
но повышаются, что обусловлено увеличением числа единичных кон-
тактов глинистых частиц при гидратации породы и упрочнением ее адгезионного взаимодействия при дегидратации, на основе чего определена область применения способов криогенной подготовки и подсушивания горной массы.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики выбора рациональных способов и технических средств предотвращения налипания и намерзания связных пород на горное оборудование в погодно-климатических условиях Севера, позволяющей повысить производительность и продлить сезон работы роторных комплексов в северных регионах страны. На основании этой методики составлены "Рекомендации по борьбе с налипанием и намерзанием горной массы при разработке погребенных россыпей Алданского района роторными комплексами непрерывного действия", которые приняты институтом "Якутзолотопроект" к использованию при проектировании способов и мероприятий по борьбе с налипанием и намерзанием глинисто-песчаной горной массы в суровых погодно-климатических условиях Севера при ведении вскрышных и добычных работ роторными комплексами на месторождениях комбината "Алданзолото". Ожидаемый годовой экономический эффект составил 218,4 тыс.руб на один роторный комплекс.
Основные положения диссертационной работы докладывались на УШ Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, МГИ, февраль 1984 г.)| на техническом совещании в научно-исследовательском институте тяжелого машиностроения производственного объединения Новокраматорского машиностроительного завода (Краматорск, октябрь 1983 г.); на технико-экономическом совете комбината "Алданзолото" (ЯАССР, март 1984 г.).
Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте на кафедре Физика горных пород и процессов и на Алданском ордена Октябрьском революции золотодобывающем горно-обогатительном комбинате "Алданзолото".
Экспериментальные исследования и натурные наблюдения проводились в подразделениях комбината "Алданзолото" производственного объединения "Якутзолото", на Иршинском ГОКе, на Стоплен ском и Михайловском ГОКах КМА, в подразделениях производственных объединений "Востсибутоль" и Уралзолото".
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. С.А.Гончарову и сотрудникам МТИ к.т.н. Капустину А.А., к.т.н. Мочалову В.И., к.т.н. Алексееву А.Ф., к.т.н. Анисимову В.Н. и др., а также сотрудникам комбината "Алданзолото", ПО "Якутзолото", Института горного дела Севера ЯФ СО АН СССР д.т.н., проф. Скубе В.Н., к.т.н. Микулевичу А.П. и др. за полученные консультации.
- II -
Адгезионные свойства пород погребенных россыпей
Перерабатываемая горная масса погребенных россыпей представляет собой сложноструктурные отложения аллювиальных глинисто-песчаных пород, у которых взаимодействие между минеральными частицами осуществляется в основном водно-коллоидными связями.
Как показала практика разработки связных пород, они склонны к интенсивному налипанию, а в период отрицательных температур - намерзанию на рабочие поверхности горнотранспортного оборудования. Поэтому лабораторные исследования адгезионных явлений глинисто-песчаных пород необходимо начать с изучения их липкости для изыскания путей ее снижения.
Многофакторные исследования, проведенные с 53 пробами (табл.1.3), показали, что основными факторами, влияющими на липкость пород погребенных россыпей, являются их влажность, минералогический и гранулометрический состав, время контакта и давление на горную породу, материал и температура нагрева рабочей поверхности транспортного оборудования /26/.
Результаты проведенных экспериментов показали, что по адгезионным свойствам глинисто-песчаные породы погребенных россы пей Алданского района аналогичны связным породам месторождений КМА.. Анализ липкости и слипаемости этих пород с рабочей поверхностью добычного и транспортного оборудования показывает, что управлять адгезионными свойствами пород можно путем изменения физических свойств горной массы или рабочей поверхности оборудования.
Сравнение зависимостей липкости связных пород КМ (данные МГИ) и Алданского района показывает, что максимальное значение липкости глинисто-песчаных пород с металлической поверхностью составляет 70-80 г/см при влажности породы равной 22-25$. Нижний и верхний пределы липкости для большинства проб изучаемых связных пород при влажности начального прилипания соответственно составляют 12 и 44$ (рис.1.4-І.6) /26/.
Естественная влажность большинства связных пород погребенных россыпей составляет 16,5$, что ниже влажности начального прилипания. Следовательно, эти породы, размещенные в "буферных" отвалах, можно использовать для технологического смешивания с более влажными породами с целью уменьшения их влажности и предотвращения налипания. Кроме того, для той же цели возможно искусственное подсушивание или промораживание транспортируемой горной массы.
Подсушивание и криогенная подготовка всего потока горной массы, помимо устранения адгезионных явлений, позволит повысить процесс дезинтеграции труднопромывистых песков погребенных россыпей /27/.
Явление налипания и намерзания связных пород к подложке связано с наличием влаги на контакте породы с поверхностью подложки. Как известно, зависимость липкости связных пород от влажности имеет экстремальный характер, причем максимум липкости - поли достигается при влажности максимального прилипания, значение которой может быть различным, в зависимости от минералогического состава породы. При влажности породы, близкой к влажности начального прилипания, на контакте породы с поверхностью начинают образовываться отдельные участки смачивания. С увеличением влажности породы увеличивается и общая площадь смачивания, что влечет за собой увеличение липкости. При отрицательных температурах влага на контакте породы с поверхностью начинает замерзать. Образующиеся при этом кристаллы льда начинают цементировать как саму породу, так и слой породы, непосредственно соприкасающийся с рабочей поверхностью горного оборудования. Так как при увеличении влажности породы количество влаги на контакте увеличивается, то при отрицательной температуре прочность намерзания породы на подложку будет возрастать.
Таким образом, основным способом снижения интенсивности адгезионно-криогенных процессов является уменьшение влажности горной массы, особенно в зоне ее непосредственного контакта с подложкой.
Вовлечение в добычу и переработку все больших объемов мерзлых пород, а также талых при отрицательных температурах воздуха приводит к необходимости детального изучения криогенных процессов и происходящих при этом изменений физических свойств пород. Из всего многообразия криогенных явлений нас интересуют следующие: промерзание талых пород, образование адгезионного контакта талой породы с рабочей поверхностью, имею щей отрицательную температуру, и образование адгезионного контакта мерзлой породы с рабочей поверхностью, имеющей положительную температуру.
Мерзлые связные породы являются весьма своеобразными образованиями, по комплексу физических свойств стоящими в одном ряду со скальными породами и в то же время резко отличающимися от них по другим признакам. Специфические особенности имеют также процессы тепло- и массопереноса в связных породах при отрицательных температурах.
Успехи в изучении физических свойств льда и мерзлых пород, а также процессов тепло- и массопереноса в связных породах при отрицательных температурах позволяют выделить физику криогенных пород как самостоятельную науку, возникшую на стыке физики Горных пород и геокриологии. Своим становлением и развитием физика криогенных пород во многом обязана фундаментальным трудам Б.П.Вейнберга, В.Б.Лаврова, Н.А.Цитовича, А.И.Пчелинцева, Б.А. Савельева, К.Ф.Войтковского, А.Д.Фролова и ряда других исследователей /28-337.
Согласно общепринятому определению Н.А.Цитовича "...мерзлыми грунтами, породами, почвами называются влагосодержащие породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние" /287.
Отличительной особенностью мерзлых связных пород - по существу мерзлых грунтов - является сложность и многофазность состава. Мерзлые грунты включают следующие основные компоненты: твердые минеральные частицы (скелет), лед-цемент, жидкую (незамерзающую и прочносвязанную) воду и газообразные включения (пары и газы). Физические свойства мерзлых пород определяются
Исследование тепло- и массопереноса на адгезионном контакте связной породы и рабочей поверхности при неравенстве их температур
Согласно современным представлениям /82-85/ связные породы в теории тепло- и массопереноса относятся к коллоидным ка-пиллярнопористым телам. Пользуясь изложенными в указанных работах материалами, рассмотрим основные составляющие тепло- и массопереноса в связных породах. Рассмотрим случай, когда влажная связная порода, имеющая во всех точках одинаковое влаго-содержание и одинаковую температуру, приведена в контакт с телом, имеющим другую температуру. Между ними начинается теплообмен, приводящий к возникновению в породе неоднородного температурного поля. Неоднородное температурное поле обусловливает процесс теплопереноса, подчиняющийся закону теплопроводности Фурье. Кроме того, при наличии разницы температур в коллоидном капиллярнопористом теле в нем происходит термодиффузия влаги в сторону меньших температур, приводящая к появлению неоднородного поля влагосодержания. Появление разницы влагосодержа-ния вызывает диффузию влаги. При этом движение влаги в породе влияет на поле температуры, так как влага является теплоносителем. По мере прогрева породы, в случае повышения ее температуры, усиливается процесс испарения влаги, также влияющий на поля влагосодержания и температуры. При совместном протекании указанных процессов поля влагосодержания и температуры определяются системой дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса, имеющей следующий вид:
Во первых, нас интересует распределение влагосодержания в приконтактном слое породы, толщина которого не превышает 1-2 мм, так как толщина налипания за один цикл "загрузка-разгрузка" рабочей поверхности не превышает этой величины. В связи с этим при решении уравнений кривизной поверхности пренебрегаем и будем рассматривать одномерную задачу.Во вторых, в системе уравнений (2.1)-(2.2) конвективная составляющая переноса тепла опущена, так как в работе /86/ показано, что перенос тепла движущейся влагой ничтожен по сравнению с переносом теплопроводностью.
В третьих, при температурах породы до 20С влиянием испарения влаги на температурное поле можно пренебречь, то есть, Є = 0. Тогда второе слагаемое в правой части уравнения (2.1) исчезнет, и в результате этих упрощений система (2.1)-(2.2) примет вид:где X - координата вдоль оси, направленной по нормали к рабочей поверхности, м.
В четвертых, слой перемещаемой рабочей поверхности породы можно считать полубесконечным, так как его толщина, которая, как правило, превышает 0,2 м, значительно превышает толщину рассматриваемого нами слоя.
В пятых, в работе /24/ показано, что при исследовании процесса теплообмена связной породы с конвейерной лентой толщиной 20 мм и времени контакта, равном времени транспортирования, ленту по толщине можно считать полубесконечной. То же са мое можно сказать и о металлическом рабочем органе горногооборудования, . хотя коэффициент температуропроводно сти для металла на порядок выше, чем для резины, но время перемещения породы металлическими рабочими органами роторных экскаваторов на порядок ниже, чем для конвейеров. Поэтому критерий Фурье для последних имеет тот же порядок, что и в случае, описанном в работе /24/.
Так как материал рабочего органа обычно водонепроницаем, граничное условие для нахождения поля влагосодержания на адгезионном контакте запишется следующим образом:;
Сделанные нами допущения позволяют найти температурное поле независимо от поля влагосодержания, решив уравнение (2.3). Воспользуемся решением для двух полуограниченных тел с различными начальными температурами при граничных условиях четвертого рода /87/, которое в нашем случае для породы имеет вид
Кє - критерий, характеризующий тепловую активность материала рабочего органа по отношению к породе; К X - коэффициенты теплопроводности материала рабочегои сохраняет это значение в продолжении времени теплообмена породы и рабочего органа до тех пор, пока не будут нарушены условия, оговоренные в допущениях.
Таким образом, мы нашли распределение температуры по толщине слоя породы, приведенной в контакт с поверхностью рабочего органа при различной их температуре до контакта.
Найдем вторую производную температуры по координатечто в новых переменных начальное условие (2.7) запишется как Решая эту систему относительно v{x) и V (х) ,найдем полное решение неоднородного уравнения (2.25)
Из граничного условия (2.12) с учетом замены переменных (2.21) следует, что с равно нулю. Граничное условие (2.13) с уче Решение (2.32) описывает распределение влагосодержания по толщине слоя влажной связной породы, приведенной в соприкосновение с рабочей поверхностью горнотранспортного оборудования при различной температуре обоих тел до контакта.
Графики зависимости изменения -=- на поверхности и на глубине z , а также величины Zg от критерия Лыкова, построенные по соотношениям (2.35), (2.37) и (2.38), представлены на рис.2.2. Из графиков видно, что с ростом критерия Лыкова величина максимальных изменений влагосодержания, пропорциональ причем рост величины максимума на глубине z обгоняет рост изменения влагосодержания на адгезионном контакте. Так, если при величине критерия Лыкова, равной 0,01, их отношение равно 10, то при Lu = 0,3 оно составляет 4. Расстояние до максимутма обратного знака от адгезионного контакта с ростом критерия Лыкова уменьшается.
Для каждой конкретной породы критерий Лыкова является функцией температуры при заданной влажности. Это объясняется тем, что коэффициент температуропроводности связных пород слабо зависит от температуры, а коэффициент диффузии влаги в связных породах, как показывают исследования /88,89/, в первом приближении имеет степенную зависимость от температуры. В целом, по данным тех же источников, зависимость коэффициента диффузии влаги в коллоидных капиллярно-пористых средах от температуры и влагосодержания выглядит следующим образом:
Исследование профилактического промораживания связных пород для предотвращения налипания и намерзания
Воспользуемся полученным ранее уравнением (3.13). Его применение требует выполнения условия (3.1). Для времени теплово го воздействия 100 часов это условие выполняется для толщины промороженного слоя менее 0,45 м, то есть практически всегда, так как за указанное время промерзание в естественных условиях не может достигнуть указанной величины.
При наличии теплоизоляционного покрытия коэффициент теплоотдачи окружающего воздуха пере считывает ся по формуле (3.7), в которую подставляется критерий Био для покрытий.
Рассматриваемый период сезона отрицательных температурразобьем на отдельные промежутки времени AT; , в которые тем а пература воздуха сохраняется примерно постоянной:АТ = Т-Т:Г (3.14)где / - номер промежутка времени.Величина А V изменяется от нуля до А Т- . Каждому проме-жутку времени соответствует своя температура воздуха. Внутренний тепловой поток земли в данном случае можно не учитывать, так как он для термически деятельного слоя (примерно до глубины 30 м) составляет 0,01$ от количества тепла, получаемого от Солнца. Тогда решение уравнения (3.13) при начальных условиях
Полученное выражение позволяет определить глубину промерзания за промежутков времени с различной температурой воздуха и изменяющимися свойствами породы: X \ р ; Аи. Для определения толщины теплоизоляционного покрытия, не позволяющего промерзнуть на глубину выше заданной, по формуле (3.7) рассчитывают коэффициент теплоотдачи при различной толщине покрытия. Затем, с учетом этого, путем расчета по (3.17) строят график изменения глубины промерзания от времени при различной толщине покрытия. Параллельно оси абсцисс проводят прямую, отсекающую от оси ординат отрезок, равный допустимой глубине промерзания. Абсциссы точек пересечения прямой с кривыми промерзания равны времени, в которое глубина промерзания при данной толщине покрытия не превысит заданной. По этим точкам строится график зависимости толщины теплоизоляционного покрытия, обеспечивающего к данному моменту времени сезона глубину промерзания не выше допустимой.
На рис.3.3 приведен график изменения глубины естественного промерзания глины влажностью 23,5% в течение периода отрицательных температур в условиях КМА. по данным метеостанции "Новый Оскол". Как видно из графика, глубина промерзания к концу сезона составляет порядка 1,3 м, причем при изменении коэффициента теплоотдачи в пределах 3,5-5,8 Вт/м%, что соответствует естественным условиям теплообмена, указанная величина меняется незначительно. Совпадение расчетной глубины промерзания с фактической показывает достаточную для практических целей точность предложенного метода расчета глубины промерзания.
На рис.3.4 приведены кривые изменения глубины промерзания глины с влажностью 23,5$ в условиях Алдана. При этом, как видно из графиков, глубина промерзания за один зимний сезон не превышает 2,2 м. Анализ решения (3.13) показывает, что в первом приближении глубина промерзания пропорциональна величине А и . При влажности 23,5$ и содержании незамерзающей влаги 6% величина Л и составляет 17,5$. При влажности породы 13% она составит !%. Тогда глубина промерзания может достигнуть 5 м. Однако, учитывая зависимость липкости от влажности для глин (влажность начального прилипания 13$), профилактическое промораживание в этом случае не представляет интереса.
Из графика изменения глубины промерзания видно, что скорость промерзания со временем падает. Поэтому для увеличения толщины профилактически промораживаемого слоя целесообразно послойное промораживание: дать породе на очищенном от снега полигоне промерзнуть на некоторую глубину, после чего удалить бульдозером промороженный слой. Это дает возможность раздробить породу, что облегчит ее экскавацию роторным экскаватором, так как смерзание промороженной породы исключается. Кроме того, при послойном промораживании ввиду увеличения скорости промораживания сокращается площадь полигона.
Для расчета времени промораживания слоя заданной толщины воспользуемся формулой (3.15). При этом необходимо учесть, что при послойном промораживании за рассматриваемый промежуток времени, необходимый для промораживания данного слоя, температура воздуха равна среднемесячной. Тогда выражение (3.15) можно привести к виду:
Методика инженерного расчета технологических параметров буферных отвалов
При наличии в разрабатываемом массиве многолетнемерзлых пород прочностные характеристики которых позволяют разрабатывать их роторными экскаваторами, не возникает проблем борьбы с адгезионными явлениями в период, ограниченный на рис.4.1 и 4.2 кривыми 1-І. Эта проблема имеет место для талых связных пород, имеющих высокую влажность. Такие породы даже в суровых климатических условиях Севера не могут в ряде случаев промерзать на высоту разрабатываемого уступа. В этом случае наиболее эффективно использование послойного промораживания вскрышного или добычного уступа со складированием промороженной породы в специальном буферном отвале. При этом значительно сокращаются площади полигона, что особенно важно при ведении открытых горных работ, когда нередки случаи острого дефицита рабочих площадей.
При снятии промороженного на глубину И слоя оульдозером - вместе с промороженной породой будет частично удаляться подстилающая ее_талая, что объясняется невозможностью производить отрыв мерзлой породы точно по контакту с талой. Поэтому общая толщина снимаемого слоя составитгде Н0 - общая толщина снимаемого слоя, м; Нт - слой талой породы, Нт = 0,06 м.
Как было показано ранее (3.4), для увеличения скорости промораживания породы необходимо стремиться к уменьшению толщины снимаемого слоя. Однако это приведет к снижению производительности бульдозерных работ. В связи с этим оптимальная толщина промороженного слоя выбирается минимально возможной с точки зрения эффективности работы современного бульдозерного оборудования и составляет 0,3-0,4 м. Так как время промораживания слоя толщиной 0,06 м много меньше времени промораживания слоя толщиной 0,3 м, то налипший слой талой породы, уложенный в буферный отвал вместе с мерзлой, промерзнет полностью до укладки следующего слоя.
Как видно из графика на рис.4.2, с наступлением отрицательных температур некоторое время возможна работа комплексов непрерывного действия без намерзания горной массы на рабочие поверхности добычного и транспортного оборудования. В этот период может быть цроизведено профилактическое промораживание породы для обеспечения нормальной работы комплексов непрерывного действия в последующий период более низких температур. В течение зимнего сезона профилактическое промораживание можно осуществлять параллельно ведению вскрышных и добычных работ. При этом для обеспечения непрерывной работы комплексов непрерывного действия можно рассчитать площадь полигона, где производит 1. Разработка мерзлых пород при отрицательной температуре воздуха.2. Разработка талых пород при положительной температуре воздуха.3. Разработка мерзлых пород при положительной температуре воздуха.4. Разработка талых пород при отрицательной температуре воздуха.
Первый период по условиям протекания адгезионно-криогенных процессов является наиболее благоприятным для разработки и транспортирования связных пород и не требует применения каких-либо способов борьбы с налипанием и намерзанием.
Второй период соответствует обычному летнему сезону эксплуатации техники непрерывного действия в Центрально-Европейской части СССР. В этот период может иметь место налипание горной массы на рабочие органы, транспортные магистрали и перегрузочные узлы добычного оборудования. Для борьбы с налипанием в этот период можно рекомендовать широко используемые в аналогичных условиях механические или физические способы (см. раздел 1.4).
Третий период является отражением специфических условий северных и северо-восточных районов СССР и связан с необходимостью разработки вечномерзлых пород. В этот период, если время транспортировки превышает время оттаивания горной массы, имеет место ее интенсивное налипание, особенно на металлические поверхности. Как было показано выше, время оттаивания зависит от коэффициента теплоусвоения материала рабочих поверхностей и температуры породы. Поэтому в этот период эффективным способом борьбы с налипанием является футеровка металлических поверхностей материалами с низким коэффициентом теплоусвоения. В качестве таких материалов модно рекомендовать некоторые сорта резины, пластмасс, высокопрочные полимеры типа "Линатекс", "Супрален", "Труккалит" и пр.Четвертый период характеризуется интенсивным налипанием и намерзанием талой горной массы на рабочие органы, транспортные магистрали и перегрузочные узлы горного оборудования при отрицательной температуре воздуха. В этих условиях эксплуатация горного оборудования без применения мер борьбы с налипанием и намерзанием становится невозможной.
Как было показано выше, наиболее эффективным способом борьбы с намерзанием и налипанием является криогенная подготовка горной массы с последующим использованием промороженных пород при разработке и транспортировании как всего потока, так и его части в качестве профилактической подстилки на конвейерную ленту. При этом талая горная масса грузится на подстилку из промороженной породы, которая не обладает адгезионными свойствами и выполняет изолирующие функции, препятствуя налипания) и намерзанию.
Криогенная подготовка может быть однолетней и многолетней в массиве с последующей разработкой промороженных пород (до температуры -6С) роторными комплексами с повышенным усилием резания (до 2-2,5 Ша), а также сезонной слоевой - с использованием бульдозерной техники для создания буферных отвалов из промороженной породы.
При использовании профилактической подстилки из горной массы, прошедшей криогенную подготовку,как в массиве, так и путем слоевой подготовки через буферный отвал, возникает задача по предотвращению перемешивания транспортируемого материала в местах перегрузок, т.е. сохранения профилактического слоя по всей длине транспортирования. В этой связи в МГИ при участии автора разработана специальная конструкция конвейерной линии (рис.4.3), которая предлагает новый способ погрузки материала на ленту конвейера и устройство для его осуществления.
Конвейерная линия состоит из конвейеров I и перегрузочных пунктов 2, представляющих собой загрузочный бункер 3, внутри которого установлен делитель (формирователь) 4 потока горной массы, закрепленный шарнирно с возможностью поворота на горизонтальной оси 5 и выполненный в виде двух пересекающихся в верхней части цилиндрических поверхностей 6 и 7 с различными радиусами кривизны.
В начале конвейерной линии предусматривается первоочередная равномерная загрузка транспортерной ленты сплошным слоем толщиной 60-80 мм профилактически промороженной глинисто-песчаной горной массы. Затем на нее равномерно грузится основной поток талой связной горной массы для их совместной транспортировки в соотношении 1:7-10. На первом и последующих перегрузочных пунктах слой из промороженной горной массы отделяется формирователем потока и укладывается первым на следующий конвейер в качестве профилактической подстилки, и тот же формирователь грузит на нее основной поток талой горной массы как на первой, так и на всех последующих перегрузках, что препятствует перемешиванию совместно транспортируемых слоев.
Таким образом обеспечивается транспортировка горной массы с сохранением профилактического слоя по всей длине конвейерной линии и достигается возможность применения указанного способа борьбы с налипанием и намерзанием.Для реализации результатов проведенных исследований, тех
