Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблем при разработке железомарганцевых конкреций 8
1.1. Общие сведения о железомарганцевых конкрециях 8
1.2. Анализ известных способов и систем добычи железомарганцевых конкреций 15
1.3. Цель и задачи исследования 33
1.4. Основные положения диссертационной работы 34 Выводы по первой главе 34
Глава 2. Разработка физической и математической моделей устройства для сгущения и обесшламливания пульпы 36
2.1. Принципиальная схема предлагаемого комплекса для добычи железомарганцевых конкреций с поверхности морского дна 36
2.2. Описание физической модели узла сгущения 42
2.3. Описание математической модели узла сгущения 46
Глава 3. Исследование математической модели узла сгущения 52
3.1. Программа реализующая математическую модель узла сгущения 52
3.2. Результаты исследований математической модели устройства 56
3.3. Выбор рациональной схемы гидротранспорта железомарганцевых конкреций при использовании узла сгущения 59
3.4 Технико-экономическая оценка 66
Выводы по третьей главе 67
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса сгущения 70
4.1. Задачи экспериментальных исследований 70
4.2. Описание экспериментального стенда 71
4.3. Порядок проведения эксперимента 73
4.4. Планирование эксперимента 75
4.5. Обработка экспериментальных данных 78
4.6. Анализ экспериментальных данных 84
Выводы по четвертой главе 87
Заключение 89
Литература 91
Приложения 99
- Анализ известных способов и систем добычи железомарганцевых конкреций
- Описание физической модели узла сгущения
- Результаты исследований математической модели устройства
- Описание экспериментального стенда
Введение к работе
Интерес 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.
Гигантский скачок в развитии науки и техники в последние годы дает возможность добраться до недоступных прежде богатств морей и океанов и разрабатывать их. Добыча некоторых видов полезных ископаемых, залегающих на морском дне, экономически выгоднее, чем на суше. Эта выгода обеспечивается радом преимуществ такого рода разработок. Например, при разработке подводных месторождений не нужны подъездные пути, многие из таких месторождений не нуждаются в оборудовании отвалов и различного рода хранилищ. При морской добыче твердых полезных ископаемых не нужно производить больших трудоемких и дорогостоящих взрывных работ, тратить средства на приобретение взрывчатых веществ, сложного оборудования для добычи руды и т. д.
Анализ зарубежной и отечественной практики подводной добычи ПИ показывает, что минеральные ресурсы континентального шельфа, материкового склона и ложа океана вместе с береговой полосой вдоль морских границ могут
являться сырьевой базой новой отрасли горнорудной промышленности и, в частности, по таким минералам как алмазы, вольфрам, а так же строительный материал. Анализ так же показал, что в настоящее время во многих странах осваивается промышленная технология и специфическое оборудование подводной добычи, действуют промышленные предприятия, занятые добычей ПИ со дна морей и океанов. Наша горнодобывающая промышленность имеет на суше сырьевую базу, обеспечивающую её планомерное развитие.
Преимущества, которыми обладает подводная добыча ПИ со дна морей и океанов, создают основания для поиска высокоэффективной технологии новой отрасли горнодобывающей промышленности с учётом ухудшения качества сырья на сухопутных месторождениях.
Часть ценных месторождений (титано-магнетиты у берегов Курильских островов, ильменито-рутило-цирконовые морские пески, оловянные морские россыпи северных морей) уже выявлены. Таким образом, в России не менее эффективно, чем за рубежом, должна решаться проблема подводной добычи имеющихся ещё скрытых или уже открытых ПИ. Решение этой проблемы включает в себя следующие основные задачи:
организация широких и планомерных поисковых и разведочных работ для нахождения и оконтуривания морских месторождений на всей площади континентального шельфа, примыкающих к границам;
разработка технологии добычи и обогащения морских ископаемых и создания для подводной добычи оборудования;
6 - организация специализированных предприятий для подводной добычи
на выявленных месторождениях.
В настоящее время в мире ежегодно добывается миллиарды тонн ПИ. При существующем объёме их добычи и выявленных тенденциях роста добычи известных запасов месторождений ПИ в недрах Земли, приуроченных к суше, может хватить, по определению ряда специалистов, лишь на сотни лет, а по некоторым ископаемым лишь на десятки лет. Усиленное освоение богатых месторождений вызывают необходимость разработки более бедных руд, залегающих на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. Естественно, что внимание представителей промышленности различных стран всё в большей степени приковывается к возможностям извлечения минеральных ресурсов, залегающих на дне и в недрах Земли, покрытых морями и океанами. При соответствующем развитии рациональных методов разведки и добычи ПИ со дна морей и океанов можно значительно пополнить минеральные ресурсы, добываемые на суше.
Мировой океан является большим потенциальным источником получения полезных минералов как путём их извлечения из морской воды, так и со дна морей и океанов.
Ещё раз, уже подробнее, о преимуществах. Опыт подводной добычи ПИ со дна морей и океанов показывает, в частности, следующие преимущества этого способа по сравнению с обычными методами ведения горных работ:
при подводной добыче ПИ резко сокращается, а часто практически исключается объём горно-капитальных и разрезных траншей;
не требуется строительство специальных подъездных путей;
во многих случаях обогащенный слой находится на поверхности дна и не требует проведение вскрышных работ, а подготовительные работы выполняются в незначительных объёмах;
исключается необходимость в отчуждении сельскохозяйственных земель и в последующей их рекультивации.
Освоение подводных месторождений ПИ может осуществляться в более короткие сроки и при значительно меньших удельных капиталовложениях, чем при строительстве карьеров на суше.
Анализ известных способов и систем добычи железомарганцевых конкреций
Передняя часть представляет собой ковш прямоугольной формы с вертикальной стойкой (9) в средней части для крепления тягового контакта, задняя (5) выполнена из продольных канатов (6), диаметром 2,7 мм, соединенных задней рамой (2), образующих силовой каркас, на который надета нейлоновая сетка (4). Нижняя передняя кромка ковша оборудована ножом (7) высотой 150 мм. Драга имеет длину 3,6, ширину 2,1 и высоту на входе 1,0 и у заднего торца 0,9 м, геометрический объем составляет 7,22 м, масса драги равна 1270кг. Для стабильной работы драги на дне к раме (2) присоединена якорная цепь (3) массой 227 кг, выполняющая роль балласта для удержания гибкого каркаса в вытянутом положении. Передняя и задняя части драги соединены страховочной цепью (10) для извлечения режущей кромки из грунта при чрезмерно больших усилиях или зацеплениях. В указанных случаях происходит размыкание замка (8) и драга в перевернутом положении без груза поднимается на судно. Так, например, при сборе конкреций за каждое погружение драга заполнялась в среднем на-1,06 т. По мере накопления опыта драгирования собираемую массу удалось увеличить до -1,8 т.
Средняя производительность составляет 4,6 т/сут. По-видимому, ее можно увеличить в два раза за счет выбора оптимального режима скорости драгирования.
Для работы такой драги требуется драгирующее судно типа океанского буксира, водоизмещением 2000 т, и оно должно иметь хорошую маневренность. На нем необходимо иметь жилые помещения для всего штата, ведущего разработку. Необходимо, так же, чтобы главные генераторы судна могли служить как источники энергии для лебедки драги. Во время разработки месторождения только очень небольшая часть вырабатываемой судном энергии требуется для перемещения судна вперед. Второе судно океанская баржа -должно вместить добытые и очищенные конкреции. Эта баржа должна быть снабжена оборудованием для отделения конкреций от вмещающих пород, извлекаемых вместе с конкрециями, и небольшим двигателем, чтобы иметь возможность следовать за драгирующим судном во время разработки месторождения. На барже должно быть оборудование для перегрузки добытого материала на транспортное судно, если сама баржа не предназначена для транспортировки.
Японский вариант глубоководной многочерпаковой драги для добычи железомарганцевых конкреций с глубины до 6000 м (глубина по проекту) представлен на (рис. 1.2.2.). Этот способ добычи конкреций, основанный на использовании многочерпаковой канатной системы со свободно двигающейся по дну океана петлей. В качестве черпаковой цепи на драге применен не скручивающийся синтетический трос, к которому при помощи мантильских строп прикреплены ковши.
Такая установка снабжена буксируемым агрегатом для сбора с бункером (1) для заполнения ковшей (6), закрепленных на тяговом канате (3) с шагом 2 м. Агрегат установлен на салазках, оборудован в передней части ножом-рыхлителем (2), имеет днище в виде грохотной решетки, перемещается он с помощью каната (5); его масса составляет 10 т. Движением агрегата по дну и черпаков на канате управляют с судна обеспечения. Скорость движения судна при этом 7,2 км/ч, скорость движения ковшей 1 м/с, она осуществляется приводом с мощностью двигателя 8500 кВт, при этом достигается производительность 500 т/ч конкреций.
Донный агрегат обеспечивает сбор конкреций на ширине 10 м, отделение пустой породы и заполнение бункера, откуда ковши зачерпывают конкреции и транспортируют их на судно. При движении судна продольными галсами осуществляется отработка поверхности месторождения. В целом устройство такой системы более сложно, имеет набор тяговых тросов агрегата и ковшей в одной ветви, требующих разделения специальными роликами с рамками [68].
Применение многочерпаковых драг в условиях открытого моря ограничивается их плохими мореходными качествами. При волнении в 2—3 балла нарушается контакт ковшей с забоем, они начинают работать вхолостую и производительность драги резко снижается, поэтому область применения современных драг территориально ограничивается внутренними водоемами, прибрежной зоной морей при спокойном состоянии моря, заливами и проливами при наличии вблизи порта для немедленной эвакуации комплекса.
Существуют драги, использующие в качестве добычного агрегата грейферные ковши. Они могут работать при волнениях до 5 баллов. Грейферные драги менее металлоемки и проще по конструкции, чем многочерпаковые, что значительно снижает их стоимость. Грейферные драги могут работать на любых грунтах, кроме скальных, и имеют значительную емкость ковша. Ковш грейферной драги поднимается и опускается при помощи кранов, которые передвигаются по палубе. Это позволяет в значительной степени сократить перемещения самого дражного снаряда. Для повышения эффективности работы грейферных драг применяют несколько одновременно работающих ковшей, заменяемых в зависимости от характера разрабатываемого грунта. По сравнению с многочерпаковыми грейферные драги обладают значительно меньшим сопротивлением движению корпуса в воде, поэтому целесообразно устанавливать на них собственные ходовые двигатели. Современные грейферные драги имеют башенные краны с вылетом 20-70 м и высотой до 15 м. Емкость ковшей меняется от 3 до 18 м3, а их производительность достигает 250 м3/ч при глубине разработки до 75 м.
Описание физической модели узла сгущения
Узел сгущения (патент РФ №2228441) относится к устройствам, обеспечивающим обезвоживание и обесшламливание гидросмеси при добыче конкреций с морского дна и их транспортирования по напорному трубопроводу на базовое судно.
Известно устройство для обезвоживания, которое может быть использовано при добыче конкреций с морского дна, выполненное в виде патрубка с щелевой перфорацией для обеспечения вывода из его полости излишков воды, причем патрубок выполнен в виде усеченного конуса и имеет переменную площадь поперечного сечения с уменьшением этой площади в сторону от пульпонасоса, который подает эту пульпу (А.С. СССР № 70384, Кл.Е02Р7/, 1948 г). Недостатками устройства является невозможность задавать и прогнозировать степень обезвоживания пульпы, невозможность изготовления конического патрубка достаточной длины и изменения параметров обезвоживания и обесшламливания пульпы в процессе эксплуатации устройства.
Так же известно устройство для добычи конкреций с морского дна (прототип), включающее базовое судно, передвижной придонный агрегат с заборным приспособлением, напорный трубопровод, при этом заборное приспособление агрегата имеет корпус в виде перфорированного патрубка, что обеспечивает транспортирование конкреций при обесшламливании пульпы, причем размер отверстий перфорированной части патрубка принят меньше минимального размера добываемых конкреций (А.С. СССР №1761957, Кл. Е21С50/00, 1992).
Недостатками известного устройства является невозможность одновременного обезвоживания и обесшламливания пульпы перед ее транспортированием по напорному трубопроводу на базовое судно, а также невозможность обеспечения заданной степени обезвоживания пульпы.
Задачами предлагаемого устройства (см. рис. 2.1.1) являются обеспечение одновременного обезвоживания и обесшламливания гидросмеси непосредственно в придонной зоне при заданной степени ее сгущения.
Узел сгущения размещается на начальном участке напорного пульпопровода, примыкающем к добычному агрегату. Диаметр D перфорированного участка пульпопровода уменьшается в сторону от добычного агрегата ступенчато (рис. 2.2.2), принимая значения Db D2, D3 и т.д. Минимальный диаметр последнего участка, например D3, и суммарная длина всех участков определяют степень сгущения и обесшламливания пульпы, поступающей от добычного агрегата.
Участки патрубка 1,2,3 (и т.д.) разного диаметра соединены между собой фланцами (рис. 2.2.36) 7 и 8, Причем фланец 8 каждого участка меньшего диаметра выполнен по внутреннему периметру с коническим скосом 9 в сторону меньшего диаметра.
Все участки 1,2,3 и т.д. патрубка перфорированы отверстиями 10. При этом размеры отверстий на поверхности патрубка могут быть приняты одинаковыми или различными (db 6.2, d3 и т. д.) для участков разного диаметра с постепенным уменьшением размеров отверстий 10 при переходе на участок патрубка меньшего диаметра.
В зависимости от величины отношения максимального и минимального диаметров участков патрубка (DifD2) и суммарной длины участков обеспечивается практически любая заданная концентрация гидросмеси на основном участке напорного пульпопровода, а избыток воды и шламовые частицы остаются в придонной зоне.
При необходимости изменить консистенцию пульпы в напорном пульпопроводе участки 1,2,3 патрубка могут быть заменены на другие с отличающимися параметрами по диаметру и длине.
Выполнения фланца каждого участка меньшего диаметра 8 по его внутреннему периметру с коническим скосом 9 обеспечивает снижение гидравлических потерь и уменьшение энергоемкости при транспортировании пульпы
Отличительные признаки узла сгущения позволяют существенно снизить энергоемкость транспортирования конкреций, уменьшить установленную мощность силовой установки, уменьшить диаметр, металлоемкость и стоимость напорного трубопровода, улучшить экологическую обстановку в зоне добычи конкреций, упростить изготовление перфорированного патрубка переменного сечения.
Результаты исследований математической модели устройства
Очевидно, что изменение параметров гидросмеи оказывает сильное влияние на нагруженность системы гидротранспорта конкреций. Широкий диапазон значений средней интенсивности водо-шламоотделения при заданных значениях объясняется тем, что сгустить гидросмесь в придонной зоне можно до требуемой концентрации.
Данные, полученные в результате расчета математической модели процесса сгущения гидросмеси (рис. 3.1.5) обработаны с помощью пакета программ Microsoft Office Excel и представлены рис. 3.2.1.-3.2.4. Приведенные графики (рис. 3.2.1. - 3.2.4.) иллюстрируют различные функциональные зависимости параметров устройства, которые позволяют оценить и выбрать наиболее целесообразные технические решения для заданных условии. Анализ функциональных связей между параметрами устройства и результатов выполненных расчетов позволяют сделать следующие выводы: 1. Объем удаляемой из гидросмеси излишней воды и шламов при равномерном распределении отверстий на конической поверхности перфорированного участка пульпопровода прямо пропорционален корню квадратному из величины напора (рис. 3.2.1.). 2. Длина перфорированного участка пульпопровода при заданной величине напора насоса прямо пропорциональна потребному объему удаляемой из гидросмеси излишней воды и шламов (рис. 3.2.2). 3. Потребная длина перфорированного участка пульпопровода при т заданной величине водо-шламоотделения с ростом напора грунтового насоса уменьшается по кривой; обратной кривой насыщения (рис. 3.2.3). 4. Потребная длина перфорированного участка пульпопровода при заданных значениях водо-шламоотделения и напора грунтового насоса плавно возрастает с увеличением отношения шага отверстий к их диаметру на конической поверхности (рис. 3.2.4). 5. Использование устройства для сгущения и обесшламливания гидросмеси непосредственно в придонной зоне при сохранении той же массовой производительности по конкрециям позволяет обеспечить: - двукратное снижение объема перекачиваемой гидросмеси, - снижение на 30% металлоемкости основного участка напорного пульпопровода - снижение на 40-50% содержания шламов в подаваемой на борт базового судна гидросмеси.
Для сравнительной оценки трех принципиальных схем гидротранспорта произведен расчет энергозатрат при гидромеханизированной добыче железомарганцевых конкреций. 1. Пульпопровод без перфорированного патрубка.
К выбору схемы гидротранспорта конкреций 1,2,3,4-характеристики насосов; 5 - характеристика напорного пульпопровода без перфорированного участка; б - характеристика напорного пульпопровода с перфорированным участком; 7 - характеристика перфорированного патрубка; 8 — характеристика напорного пульпопровода, предназначенного для транспортировки сгупценной гидросмеси. Использование схемы с одним насосом на сгущение и транспортирование гидросмеси (рис. 3.3.2.) приводит к изменению характеристики напорного пульпопровода (6). Это обуславливается существенным изменением расхода на основном участке пульпопровода (Q2), а, следовательно, из условия постоянства скорости транспортирования (уравнение 2.3.1), уменьшается и его диаметр (D2), что ведет к увеличению потерь напора по длине (см. уравнение 3.3.2). Рабочий режим насоса в данном случае: Qu — 400 м /ч; #7 = 21 м. Теперь рассмотрим вариант с модернизированным напорным пульпопроводом и двумя последовательно установленными насосами (рис. 3.3.3.). Рабочий режим первого насоса, предназначенного для сгущения и обесшламливания гидросмеси: ?/j=400 м3/ч; Н3! = 4 м; второго насоса, используемого для транспортирования сгущенной гидросмеси на базовое судно: Q23 = 160 м3/ч; Н32 = 21 м.
Подставив значения, полученные графоаналитическим способом в уравнения 3.3.1, 3.3.3, 3.3.4, можем определить мощность, потребляемую насосами при различных схемах гидротранспорта конкреций.
Основной целью лабораторного эксперимента являлось определение коэффициента расхода пульпы через отверстия на поверхности патрубка (ju) и проверка теоретически полученных зависимостей.
Основные задачи экспериментальных исследований: 1. Оценить влияние напора, создаваемого насосом на расход воды, сбрасываемой на перфорированном участке пульпопровода; 2. Оценить влияние конструктивных параметров узла сгущения, создаваемого насосом на расход воды, сбрасываемой на перфорированном участке пульпопровода; 3. Получить экспериментальные данные о количестве воды, сбрасываемой через перфорированные отверстия узла сгущения в зависимости от напора, создаваемого насосом; 4. Получить экспериментальные данные о количестве воды, сбрасываемой через перфорированные отверстия узла сгущения в зависимости от его конструктивных параметров; 5. Сопоставить полученные экспериментальные зависимости с результатами математического моделирования.
Описание экспериментального стенда
Стендовые испытания - один из путей оценки совпадения данных, полученных теоретически с практическими результатами и являются неотъемлемой частью работы при модернизации горнодобывающих комплексов.
Для уточнения коэффициента расхода пульпы при истечении ее через отверстия на поверхности патрубка (JJ) и проверки теоретически полученных зависимостей были проведены экспериментальные исследования процесса сгущения на лабораторном стенде, моделирующем узел сгущения (рис.4.2.1., рис. 4.2.2.). 4 Рис. 4.2.2. Экспериментальный стенд для исследования процесса сгущения
Резервуар с гидросмесью (1) имеет три положения по высоте (создается разный напор) и вентиль (2), перекрывающий доступ гидросмеси в напорный трубопровод (4). Перфорированный патрубок (3) располагается в придонной зоне резервуара - «водоема» (6), на высоте hn. Основной участок трубопровода (5) с вентилем (11) приходит в приемный резервуар (7) - «базовое судно». Все вышеперечисленные резервуары имеют средства измерения уровня жидкости поплавкового типа (9), 12 - дифференциальный манометр ДТ - 10 заполненный водой.
Для проведения эксперимента предлагается ряд перфорированных вставок (см. приложение 1) Напорный и основной участки трубопровода имеют внутренний диаметр равный начальному и конечному диаметру патрубка соответственно. В качестве модельной жидкости использовалась вода. Использование воды в данном случае возможно по той причине, что в реальном трубопроводе осуществляется гидротранспортирование частиц, обладающих значительной гидравлической крупностью при небольшой концентрации. В вязи с этим предполагается, что величина кинематической вязкости пульпы будет примерно равна кинематической вязкости воды.
При проведении эксперимента были приняты неизменными следующие параметры лабораторной установки: hHp= 0,35 м; hn - 0,05 м; Нрвн = 0,5 м; t = 18 С. 1. Погружаем выбранный патрубок (см. приложение 1) в резервуар -«водоем» б, до высоты hn. 2. Одновременно открываем вентиль 10 подводящего патрубка 8, для поддержания постоянного уровня воды в напорном резервуаре 1, вентиль 11 основного участка трубопровода 5 и вентиль 2, регулирующий расход воды на начальном участке трубопровода. 3. Фиксируем показания дифференциального манометра 12. 4. В момент, когда уровень воды в резервуаре - «водоеме» достигает отметки крен = 0,55 м (за этот период времени гидротранспортная установка выходит на установившейся режим) включаем секундомер (время начала экспозиции) и фиксируем уровень воды в приемном резервуаре 7 - hnpH, м. 5. Когда уровень воды в резервуаре - «водоеме» достигает отметки hpeK = 0,58 м, фиксируем время конца экспозиции одновременно перекрываем вентиль 11.
Уровни жидкости, при ее неизменной плотности, в резервуаре -«водоеме» и приемном резервуаре замеряются по положению указателя, соединенного с поплавком гибкой (нить) механической связью. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем воды и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. 4.4. Планирование эксперимента
Перед составлением плана эксперимента был проведен анализ факторов, оказывающих наибольшее значение на параметры. В нашем случае, параметрами являются расход воды через отверстия в перфорированном патрубке (Q) и расход воды, транспортируемой в приемный резервуар ((). Из всего многообразия факторов были выделены следующие: АЯ - избыточный напор; Fome - суммарная площадь отверстий; Dj/D2 - отношение максимального и минимального диаметров перфорированного патрубка. Определим интервалы варьирования для АЯ, ]Г Fome и D/D2. Интервалом варьирования называется значение фактора в натуральных единицах, прибавление которого к нулевому дает верхний, а вычитание - нижний уровень. Обозначим данный фактор как Xit его нижний уровень - Хін, верхний -Хів и нулевой - ХІО. Примем в качестве первого фактора Xj избыточный напор, в качестве второго Х2 - отношение максимального и минимального диаметров перфорированного патрубка, а в качестве третьего Х3 - суммарную площадь отверстий. Предварительными экспериментами установлено, что избыточный напор изменяется в пределах от 1,41 до 2,45 м, т.е., Х/=1,41...2,45.
Где с - произвольное целое число, не превышающее наименьшего значения х-, но возможно более близкое к нему. В случае, если можно предполагать, что исследуемая выборка является частью генеральной совокупности, распределенной по нормальному закону, то обработка продолжается. Очевидно, что W W , и можно говорить об исследуемой выборке как о нормально распределенной, а значит, обработку можно продолжать дальше. Наиболее вероятное значение искомого результата определяем по формуле (4.5.2), x = 0,344. Выборочное среднеквадратичное отклонение определим, воспользовавшись упрощенным выражением (4.5.3), 5 = 0,018. Исходя из выражения (4.5.4), коэффициент вариации v = 5,3%. Используя выражение (4.5.5) определим среднеквадратичное отклонение результата измерения S =0,006. Коэффициент доверия, определенный по таблицам, в зависимости от числа измерений и принятой вероятности у = 0,95 (для технических измерений) ty =2,262. По (4.5.6) значение доверительной границы 6 = 0,0129. Исходя из того, что в данном случае ДА = є, результат измерения следует записать так: х = 0,344 ±0,0129; у = 0,95. В связи с большим объемом экспериментальных данных их обработка производилась с помощью программы Microsoft Excel 2002 из пакета программ Microsoft Office.
