Введение к работе
Актуальность работы. Карьерные гидромониторно-земле-сосные комплексы широко применяются в горнодобывающей промышленности при 'производстве вскрышных работ по наносам на угольных, железорудных карьерах и на 'Карьерах цветных металлов; в промьнпленности нерудных строительных материалов как при производстве вскрышных работ, так и при добыче .полезных ископаемых; в гидротехническом строительстве для разработки грунтов при намыве земляные сооружений и площадей для 'Промышленного строительства.
Только на угольных разрезах Кузнецкого бассейна этим способом разработано свыше 350 млн. м3 пород вскрыши, а перспективные объемы, которые можно разрабатывать с помощью гидро.мониторно-землесосных комплексов, составляют около 6 -млрд. ,м3.
Широкий спектр 'применения гидромониторно-землесосных комплексов обусловлен такими -присущими этому вид}' комплексной (механизации достоинствами, как: поточность выполнения технологических процессов; простота конструкций, небольшие массы, и габариты, высокая надежность работы машин и аппаратов, входящих в их состав; высокая производительность труда; относительно небольшие капитальные затраты и себестоимость производства горных работ; возможность намыва качественных зем-ляньк сооружений; экологическая чистота и безопасность производственных процессов.
В то же время расширение области применения этого перспективного способа комплексной механизации открытый горных работ одерживается рядом отрицательных факторов, основными из которых являются большие энергоемкость и расход воды в производственном процессе.
Та'к, например, установленная мощность электродвигателей гидромониторно-землесосных комплексов разрезов Кузнецкого угольного бассейна составляет 15...25 тыс. кВт, а расход электроэнергии — 10... 15 кВт-ч на 1 м3 разрабатываемой породы. При этом расход электроэнергии занимает до 60% в структуре себестоимости.
В соответствии с норма-ми технологического проектирования расход воды на гидромониторную разработку 1 >м3 пород груші трудности от 4 до 6 составляет 7...14 м3. Это приводит не только к большим затратам электроэнергии на перемещение їв замкнутом цикле тидромониторно-замлесосного комплекса такого количества воды, но и требует значительны* площадей для размещения гидроотвалов..
Учитывая масштабы использования и перспективы расширения области применения тидромониторно-зєімлесооньтх 'комплексов, снижение энергозатрат и водоіпотребления три их использовании, а также разработка способов 'повышения их производительности без увеличения расхода воды в производственном процессе является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное 'значение.
Работа выполнялась в рамках отраслевой научно-технической программы Минуплепрома СССР ЦКОП-1 «Создать и осуществить широкое внедрение новых (усовершенствован-ны'х) технологических процессов, комплексов горнотранопорт-іюго оборудования и методов Оірганизации производства, обеспечивающих повышение в 1990 г. технического уровня открытых горпьпх работ и производительности труда на разрезах в 1,3 раза по сравнению с 1984 т.» (тема 1001006200 «Обоснование и разработка ресурсосберегающих комплексов горного оборудования для гидромеханизации открытых горны* работ на разрезах»), а также по теме 1000113000 «Разработать технические предложения по технологии и организации тидровскрышных работ для перопактивных и осваиваемых разрезов отрасли», входящей в тематический план важнейших научно-исследовательских работ, утвержденный решением НТС Министрества угольной промышленности СССР от 17.Ю.79 г.
Цель работы. Установление и анализ зависимостей энер-то- и водозатрат от физико-механических свойств разрабатываемые пород и условий эксплуатации оборудования, обоснование натравлений их снижения, разработка структуры и определение рациональны-х параметров энерго- и водосбере-гагощих вскрышных гидромониторно-землесосньгх комплексов.
Идея работы. Применение комплексного энергетического анализа для. обоснования направления создания энерго- и во-дооберегающих гидрсУмониторно-землесосных КОіМПЛеКСОВ и использование эумшфа гидротранспортной установки для сгущения гидросмеси и получения дополнительной воды на гидромониторный размыв при разработке их структуры, что обеспечивает повышение концентрации твердого в транспортируемой гидросмеси и, как следствие, снижение удельных энергозатрат и водопотребления при разработке вскрышных пород па карьерах.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Эффективность 'преобразования энергии в гиаротранс-
портной установке целесообразно оценивать коэффициентом
ее полезного использования (КПИЭ), представляющим собой
отношение энергии (мощности), используемой на .перемеще
ние твердого материала, к суммарному количеству энергии
(мощности), переданном}' гидротранспортной системе.
-
Зависимости удельных энергозатрат на разработку вскрысиных пород гидромониторно-землесосными -комплекса-МП с внутризабойпой насосно-гндромониторной установкой от концентрации твердого в гидросмеси и от соотношения лодач внутризабойной и основной насосных станций водоснабжения, позволяющие определить рациональные параіметрьг для выбора оборудования.
-
Обобщенная зависимость сопротивления внешней сети гидротранспортной установки от расхода гидросмеси, физико-механических свойств твердого материала и условий эксплуатации, позволяющая' рассчитывать характеристики .внешних сетей грунтовых насосов.
-
Зависимость обобщенного коэффициента сопротивления гидромонитора от диа'метра насадки .при работе на чистой воде и на тонкодисперсной гидросмеси плотностью до 1060 кг/м3.
-
Математическая модель эксплуатационного расчета па-сосно-гидромониторных установок, учитывающая напорную характеристику гидромонитора и позволяющая определять режим работы насосов и гидромониторов как графоаналитическим способом, так и аналитически.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании широкого диапазона научньгх :методов исследований, выключающих аналитические исследования с использованием основополагающих /положений механики, гидравлики, гидротранспорта и теории насосов, научное обобщение, экспериментальные исследования на стендах и в промышленных условия.х с .применением современной измерительной аппаратуры. Опытно-промышленные испытания .в производственных условиях подтверждают результаты исследований. Точность экоперимен-тальны.х исследований яри доверительной вероятности 0,9 составляла 87...92%.
Научная новизна. Для энергетического анализа гидротранспортных установок разработан показатель эффективности преобразования энергии (коэффициент 'полезного использования энергии), позволяющий определить возможные направления снижения энергозатратлри гидротранспорте.
Установлена обобщенная зависимость для определения сопротивления 'внешней сети гидротранслортной установки, основанная на научном обобщении существующих теорий и ме-
тодов расчета параметров гидротранспорта и позволяющая рассчитывать характеристики внешних сетей для любых условий эксплуатации и транспортируемых вскрышных пород.
Установлены зависимости для расчета напорных характеристик гидромониторов при работе на чистой и частично осветленной воде.
Разработана математическая модель эксплуатационного расчета насосно-гидромониторных установок, учитывающая напорную характеристику гидромонитора и позволяющая определять режим его работы как графоаналитическим способом, так и аналитически.
Научное значение работы состоит в разработке (метода энергетического анализа сидротранспортнЫ'Х установок с шо-мощью предлагаемого коэффициента полезного использования энергии, позволяющего обосновать направления энергосбережения, а также в установлении обобщенных зависимостей сопротивления внешних сетей гидротранспортных и на-сосно-тидромониторнЫ'Х установок, основанных на научном обобщении существующих теорий и .методов расчета и результатах 'промышленных экспериментальных исследований, что является вкладом в развитие теории насосных установок гидромеханизации.
Практическое значение работы состоит в разработке энер-го- н водосберегающего гидромониторно-землесосного комплекса с дополнительной В'нутризабойной установкой водоснабжения .гидромониторов, позволяющего снизить удельные энергозатраты па гидромеханизированную разработку грунтов на 15...45% и расход воды «в 1,8...2,6 раза, а также в разработке методик расчета внешних сетей гидротранспортнььх и насос-но-тидромониторных установок и анализа режимов работы груптовы.х насосов на кавитацию, позволяющих автоматизировать процесс определения режимов работы оборудования гидромониторно-зешлесоснькх 'комплексов и рассчитывать /параметры регулирования насосов для согласования их режимов работы.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Гидромони-торно-землесосный .комплекс с дополнительной внутризабой-ной установкой водоснабжения гидромониторов прошел опытно-промышленные испытания (.1991 г.) и принят к внедрению на разрезе «Колімогоровский» 'концерна «Кузбассразрезутоль». Ожидаемый экономический эффект составляет 369,0 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).
Кроме того, разработанные в диссертации методы расчета внешних сетей гидротранопортных и насосно-ігидромонитор-ньі'Х установок были использованы для оптимизации и сопла-сования режимов работы оборудования гидромеханизации на разрезах «Колмогоровский», «Листвянский» (концерн «Кузбассразрезутоль») и «Назаровский» (концерн «Красноярск-
уголь»). Фактический экономический эффект в 1987, 1988 и 1991 гг. составил 351,1 тыс. руб.
Апробация работы. Работа и ее отдельные положения докладывались на научно-практическом семинаре с международным участием «Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем,, комплексов и оборудования горных и промышленные предприятий» (Москва, 1993 г.); семчшаре с международным участием ученых, аспирантов, инженеров и студентов «Проблемы и перспективы развития горной техники» (Москва, 1994 г.); симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, 1996 г.); техническом совете концерна «Кузбасс разрез уголь» (Кемерово, 1995 г.); технических советах разрезов «Бачатский» (1983 г.), «Колмоторовский» (1986 и 1988 гг.), «Листвянский» (1989 г.), «Назаровскнй» (1993 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликованы 33 научные работы.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и приложений, изложенных на 252 страницах .машинописного текста, содержит 27 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы из 98 наименований и 6 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры горной механики и транспорта и отраслевой лаборатории интенсификации открыты* горных' работ и гидроімехани-зацни МГГУ за помощь при подготовке диссертации.