Введение к работе
Актуальность работы. Общая тенденция развития структуры золотодобычи и проблемы извлечения золота из россыпей всех типов выдвигают важную научную и народнохозяйственную задачу создания новых и совершенствования существующих методов и способов разработки россыпных месторождений.
В сырьевой базе Дальнего Востока преобладают запасы рудного золота (54,4 %), и в некоторых регионах основной объем золотодобычи (более 50 %) обеспечивается эксплуатацией рудных месторождений. В то же время роль и значение россыпных месторождений сохраняются на достаточно высоком уровне. Это объясняется относительно небольшим временем ввода россыпей в эксплуатацию, более низкой, по сравнению с рудными предприятиями, капиталоемкостью, простотой разработки, включая процессы выемки и ггереработки продуктивной горной массы. По оценкам специалистов, такое соотношение в структуре золотодобычи сохранится в ближайшей и дальней перспективах.
При освоении природных и техногенных россыпей одна из наиболее сложных проблем состоит в извлечении мелкого и топкого золота, потери которого в отдельных случаях достигают 70 -5- 80 %. Это обусловлено величиной и формой золотин, составом вмещающих пород и режимом работы аппаратов для переработки горной массы.
Важнейшей проблемой при освоении россыпных месторождений золота является экологическая. Ежегодно на Дальнем Востоке загрязняется около 15 тыс. га земель, две трети которых приходится на россыпные месторождения; при этом вредные вещества и примеси оказываются в поверхностном стоке и грунтовых водах на расстояниях, многократно превышающих территорию горных отводов предприятий. Поэтому создание и внедрение эффективных и экологически более безопасных гидромеханизированных процессов переработки продуктивной горной массы является актуальной научной и технологической задачей.
Цель работы состоит в научном обосновании процессов выемки и переработки горной массы природных и техногенных россыпных месторождений благородных металлов на основе процессов гидромеханизации, повышающих экономическую эффективность и экологическую безопасность освоения минеральных ресурсов.
Идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается применением эффективной гсотехнологии подводной разработки россыпей земснарядами и драгами, оснащенными новыми устройствами извлечения и переработки горной массы; теоретическим обоснованием и созданием технологии формирования обогащенного приплотикового пласта комплексным воздействием природных и технологических процессов, с последующей эффективной переработкой продуктивной горной массы, направляемой на обогатительные аппараты.
Объект исследования: природные и техногенные россыпные месторождения цветных и благородных металлов и их структурные формирования.
Предмет исследования: генетические особенности, горнотехнические и технологические условия разработки россыпных месторождений, представляющих собой одно- и многослойные фильтрационные системы; процессы всасывания горной массы при подводной разработке россыпи и конструкции всасывающих устройств земснарядов; двухфазные потоки в коническом гидрогрохоте и сужающихся желобах; гидравлические сопротивления движению двухфазной гидросмеси, включая гидросмеси с высокой концентрацией твердой составляющей; движение твердых частиц в рыхлой аллювиальной обводненной среде под воздействием внешних возмущений, причиной которых могут быть природные и технологические процессы.
Методы исследования.
Диссертационная работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих анализ литературных и патентных источников, производственного и научного опыта по основным проблемам освоения россыпных месторождений, аналитический и экспериментальный подходы.
Аналитический подход к изучению природных и технологических про- . цессов заключался в составлении математических моделей и описании их дифференциальными уравнениями, получении решений и их анализе. Математические модели основывались на двух концептуальных позициях в отношении гидросмеси. В соответствии с первой из них гидросмесь рассматривалась в качестве дисперсоида, обладающего всеми свойствами континуума, второй — гидросмесь представлялась как совокупность частиц, движущихся в жидкой среде.
Экспериментальный подход использовался для решения самостоятельных задач (сопротивление движению гидросмеси) и для проверки аналитических решений. При планировании экспериментов применялись методы теории подобия и анализа размерностей, а при обработке результатов - методы математической статистики.
Защищаемые научные полоз/сепия.
-
Подводная разработка россыпей земснарядами, оборудованными экранными всасывающими устройствами, является эффективной энерго- и ресурсосберегающей технологией с дополнительными и новыми функциональными возможностями, обеспечивающей более высокий уровень экологической безопасности при проведении горнотехнических работ.
-
Эффективный режим работы конического гидрогрохота в технологическом процессе переработки эфельных фракций на драге определяется вытекающими из дифференциальных уравнений соотношениями между конструктивными параметрами гидрогрохота и гидравлическими характеристиками двухфазной гидросмеси: начальным диаметром и высотой конической части, углом конусности, размером щелей колосников и их скважностью, диаметром разгрузочного отверстия; расходом и начальной скоростью гидросмеси, концентрацией в ней твердого материала, гранулометрическим и минералогическим составами горной массы, плотностью и размером частиц выделяемого ценного компонента, температурой гидросмеси.
-
Процесс расслоения частиц минералов по плотности, размерам и форме в сужающихся желобах определяется параметрами потока гидросмеси, ее вязкостью и режимом движения, уклоном желоба и глубиной потока. Форма свободной поверхности потока гидросмеси зависит от глубины в начальном сечении желоба, гидравлических сопротивлений, а также наличия и месторасположения промежуточных разгрузочных отверстий (щелей).
-
Установленные экспериментально зависимости и полученные расчетные формулы для определения гидравлических сопротивлений гидросмеси с высокой концентрацией твердого материала в сужающихся желобах позволяют выполнить аналитический расчет конструктивных и технологических параметров гидравлического концентратора.
Установлено, что
наибольшее влияние на коэффициент Дарси оказывает число Фруда, причем с ростом его значения величина коэффициента Дарси уменьшается;
влияние сил вязкости на величину гидравлических сопротивлений потока гидросмеси зависит от значения чисел Фруда и Рейнольдса;
с ростом концентрации твердого (отношения Т:Ж) значение коэффициента Дарси в целом увеличивается.
Выводы справедливы при изменении значения уклона желоба от 0,0073 до 0,5 (угол наклона дна желоба к горизонту от 25' до 30), угле сближения боковых стенок желоба от 2,29 до 4,56, отношений Т:Ж от 1:4 до 1: 0,25, числе Фруда от 0,014 до 238, числе Рейнольдса гидросмеси от 1380 до 16100.
5. Интенсивность миграции ценных компонентов в отвальном комплексе
техногенных россыпей зависит от уровня внешних природных или технологи
ческих продольных акустических колебаний, воздействия внутриотвального
потока воды, параметры которого определяются на основе установленных зави
симостей для фильтрации воды в одно- и многослойных пластах горной породы
при одновременном воздействии поверхностных потоков.
Научная новизна работы.
Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование параметров процессов гидромеханизации в геотехнологии разработки россыпей подводным способом, заключающееся в:
- получении аналитических зависимостей параметров движения гидро
смеси во всасывающих устройствах щелевого типа земснаряда, позволяющих
оптимизировать их конструктивно-технологические характеристики в зависи
мости от генетических свойств россыпей (минералогический, гранулометриче
ский составы, связность и т.д.) и технических возможностей имеющегося в на
личии земснарядного оборудования;
- обосновании, на основе предложенных автором дифференциальных
уравнений, теории движения дисперсоида и отдельных частиц полезного
компонента по цилиндрической и конической сеющей поверхностям гидрогро
хота, с помощью которых можно определить рациональные параметры эффек
тивной переработки продуктивной горной массы и конструктивные характери
стики элементов гидрогрохота;
составлении дифференциальных уравнений движения двухфазной гидросмеси и отдельных частиц ценного компонента в сужающихся желобах, на основе решения которых получены инженерные методы расчета конструктивных параметров сужающихся желобов, зон эффективного улавливания ценного компонента в зависимости от их физико-механических свойств;
выполнении анализа движения частицы ценного компонента в обводненной аллювиальной среде техногенной россыпи под воздействием внешних динамических возмущений, способных вызвать миграцию частиц ценных компонентов и формирование зон их концентрации;
і/ - разработке методики расчета фильтрации воды в многослойной обвод-
ненной аллювиальной горной породе техногенных россыпей, позволяющей определять скорости и расходы фильтрации в любом сечении фильтрационного потока.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием классических методов составления дифференциальных уравнений движения изучаемых объектов (воды, дисперсоида, частиц тяжелых компонентов), анализом и интегрированием этих уравнений, сравнением аналитических результатов с данными экспериментальных исследований, апробацией результатов на международных, всесоюзных, всероссийских, республиканских и региональных конференциях и совещаниях, в научных организациях, признанием приоритета работ авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты способствуют повышению эффективности решения важнейшей для золотодобывающей промышленности проблемы освоения природных и техногенных россыпей на основе:
применения эффективной энерго- и ресурсосберегающей технологии формирования и разработки обогащенного приплотикового пласта техногенной золотосодержащей россыпи;
возможности использования для разработки подводных россыпей стандартного земснарядиого оборудования с дополнительным включением в него новых разработанных всасывающих устройств - плоского и полого щелевого экранов, существенно повышающих технико-экономические показатели извлечения фракций тяжелых металлов и минералов, в том числе крупных;
повышения эффективности переработки песков россыпей и классификации промпродукта за счет внедрения на драгах опытно-промышленного комплекса оборудования, включающего конический гидрогрохот и сужающиеся желоба, конструктивные характеристики которых определяют технологические параметры процесса;
снижения энергетических, трудовых и материальных затрат при освоении техногенных россыпей, включая россыпи с низким содержанием ценного компонента;
снижения техногенного пресса на природную среду, улучшению ландшафта в районах разработки россыпных месторождений.
Реализация результатов работы.
Результаты выполненных исследований использованы при внедрении в ОАО «Прииск Соловьевский» опытно-промышленного комплекса оборудования и технологии переработки эфельных хвостов промывки золотосодержащих песков драгой № 231. Расчетный экономический эффект от внедрения составил 3,9 млн. руб. Рекомендации по применению процессов гидромеханизированной выемки и переработки золотосодержащих песков приняты ОАО "Дальстройме-ханизация" и др. организациями.
Результаты работы используются в учебном процессе при преподавании дисциплины «Гидромеханика» на специальности «Открытые горные работы» и в работе студенческого научного общества Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ).
Личный вклад автора состоит:
в постановке задач формирования всасывающихся потоков воды, обеспечивающих эффективный размыв горной породы из подводных забоев, разработке рациональных конструкций всасывающих устройств земснарядов, составлении математических моделей процесса всасывания, разработке инженерных методов расчета всасывающих устройств;
в разработке методик экспериментальной проверки работоспособности новых конструкций всасывающих устройств земснаряда, научном руководстве экспериментальными работами и непосредственном участии в них;
в теоретическом исследовании двухфазных потоков в конических гидрогрохотах, включающем составление уравнений движения дисперсоида во входной цилиндрической и конической сеющей частях аппарата, а также вывод расчетных формул для определения пропускной способности разгрузочного отверстия, в исследовании движения твердой частицы в потоке гидросмеси, в том числе и над разгрузочной щелью сеющей поверхности гидрогрохота; в получении соотношений, связывающих между собой конструктивные характеристики гидрогрохота и технологические параметры гидросмеси, позволяющие установить в каждом конкретном случае зоны концентрации ценного компонента в подрешетном пространстве гидрогрохота;
в постановке и решении задачи теоретического и экспериментального обоснования закономерностей гидравлических сопротивлений потоку гидросмеси в сужающихся желобах, включая и большие отношения Т:Ж; применении для исследования этой задачи методов теории подобия и анализа размерностей; разработке методик экспериментов; научном руководстве при проведении этих работ и непосредственном участии в них, в обработке результатов и формулировании выводов;
создании методики гидравлического расчета сужающихся желобов со сплошным дном и с разгрузочными поперечными щелями (спиготами); получены соотношения, связывающие между собой условия на входе, конструктивные характеристики желоба и технологические параметры гидросмеси; аналитические зависимости качественно подтверждаются экспериментальными данными;
в результатах аналитического исследования закономерностей относительного движения в безнапорном потоке гидросмеси частиц полезного компо-
нента в зависимости от их физико-механических характеристик и уклона желоба;
в развитии и уточнении аналитических зависимостей процесса формирования обогащенного приплотикового пласта обводненной многослойной россыпи под действием фильтрационных процессов;
в результатах теоретического исследования сегрегационного разделения частиц ценных компонентов большой плотности в аллювиальных россыпях под воздействием сейсмических проявлений;
в экономическом и экологическом обосновании предлагаемых технологий добычных и обогатительных работ с применением усовершенствованной горной техники.
Апробация работы.
Основные положения и отдельные разделы диссертации докладывались и получили положительные оценки на научно-технических конференциях Хабаровского политехнического института (г.Хабаровск, 1965, 1970, 1971, 1974, 1976, 1978), Московского инженерно-строительного института (МИСИ) им. В.В.Куйбышева (г. Москва,1967,1968,1969,1970), на тематическом координационном совещании по гидравлике высоконапорных водосбросных сооружений ГВВС-68 (г.Красноярск,1968), на XVII межвузовской научно-технической конференции (г. Ровно, 1968), на совещании секции физики по гидродинамике Московского общества испытателей природы (МОИП,г. Москва, 1969), на семинаре по гидродинамике при кафедре теоретической физики МОПИ им. Н.К Крупской (г.Москва 1969),на XX научно-технической конференции ДВПИ им. В.В. Куйбышева (г.Владивосток, 1971), на XXVII научно-технической конференции ХабИИЖТа (г.Хабаровск, 1971), научно-практическом семинаре "Добыча золота. Проблема и перспективы" (г. Хабаровск, 1997), IV международной конференции "Новые идеи в науках о Земле " (г. Москва, 1999), международном совещании "Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов" (г. Хабаровск, 2000), региональной конференции "Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья" (г.Чита,2000), III и V международных научных конференциях ХГТУ (2003, 2005 гг.), научно - техническом совете Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ), научно-технических конференциях Хабаровского государственного технического университета(ХГТУ),Хабаровского высшего военного строительного института ХВССУ), Ученом совете и семинарах ИГД ДВО РАН и др.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 62 печатные работы, в том числе одна монография, 12 патентов Российской Федерации, 2 авторских свидетельства СССР, 15 работ в центральных журналах и издательствах, 9 статей в материалах международных и 2 - всесоюзных и российских научных конференций.
Структура и объемы работы.
Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, содержит 284 страниц текста, 16 таблиц, 76 рисунков, список литературы из 170 наименований и Приложений на 50 страницах.
