Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика русловых россьшных месторождений алмазов Анголы - 8
1. Россыпные месторождения полезных ископаемых
1.1. Геология россыпей
1.2. Запасы полезного ископаемого
1.3. Общие сведения о россыпных месторождениях
1.4. Аллювиальные россыпи
1.5. Распределение ценных минералов
1.6. Условия образования
1.7. Концентрация ценных минералов 16
2. Обзор существующих технических способов разработки россыпных месторождений 17
2.1. Механические добычные устройства 17
2.2. Гидравлические и механогидравлические добычные устройства 35
3. Цель и задачи исследований41
ГЛАВА 2. Разработка математической модели добычного комплекса 43
2.1. Требования к добычному комплексу 43
2.2. Описание конструкции и принципа действия комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей 43
2.3. Параметры русловых россыпных месторождений и физическая модель комплекса для их разработки 50
2.4. Математическая модель комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей
Выводы по главе
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования
3.1. Задачи и методика экспериментальных исследований 63
3.2. План ирован ие эксперимента 68
3.3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 74
Выводы по главе 77
ГЛАВА 4. Анализ математической модели и методика расчета комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей 79
4.1. Количественная оценка взаимосвязанных параметров канатно-скреперной установки 79
4.2. Методика расчета и выбора параметров канатно-скреперной установки для разработки русловых алмазосодержащих россыпей —89
Основные выводы и рекомендации по диссертационной работе 92
Литература
- Общие сведения о россыпных месторождениях
- Гидравлические и механогидравлические добычные устройства
- Описание конструкции и принципа действия комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей
- Результаты экспериментальных исследований и их анализ
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена созданию комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей в Республике Ангола.
В экономике Анголы алмазы являются основными стратегическими ресурсами, формирующими значительную долю валового национального продукта и валютных поступлений страны. При любых достижениях в области реформирования промышленности страны, упрочнение её позиций на мировом рынке алмазов будет оставаться приоритетной государственной задачей на длительную перспективу.
В настоящее время разрабатываются в основном коренные месторождения алмазов. В последние годы все большее значение приобретает возможность освоения русловых россыпных месторождений алмазов.
Учитывая уровень экономического развития Анголы, способ разработки русловых месторождений должен характеризоваться минимальными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, в том числе по затратам энергоресурсов. Оборудование добычного комплекса должно быть по возможности стандартным, широко используемым в горно-добывающей промышленности технически развитых стран. Продолжительность ввода комплекса в эксплуатацию должна быть минимальна, он должен обслуживаться техническим персоналом относительно невысокой квалификации.
С другой стороны, из-за того, что Ангола в течение многих лет находилась в состоянии гражданской войны, информационная база для разработки и проектирования добычного комплекса, отвечающего перечисленным выше требованиям, чрезвычайно ограничена. Это накладывает определенный отпечаток на условия и характер проведения исследований по созданию добычного комплекса.
При анализе математической модели комплекса из-за отсутствия или ограниченности исходных данных, связанных с физико-механическими свойствами донных отложений, параметрами русловых потоков (ширины,
6 глубины, скорости течения), пришлось исследовать предложенную модель в достаточно широком диапазоне изменения исходных данных, что неизбежно увеличило объем выполняемых работ.
Однако это позволит в дальнейшем с минимальными затратами материальных ресурсов и времени осуществить проектирование и строительство добычного комплекса.
Цель работы. Установление закономерностей формирования натяжений тягового каната с учетом криволинейного профиля русла реки, скорости движения скрепера и степени его заполнения алмазосодержащей породой для разработки методики расчета и выбора параметров канатно-скреперной установки, что обеспечивает повышение эффективности разработки русловой алмазосодержащей россыпи.
Идея работы. - Для разработки русловой алмазосодержащей россыпи используется передвижная канатно-скреперная установка, параметры которой определяются с учетом поперечного профиля русла реки и скорости течения.
Задачи диссертационной работы
Сформулировать требования к добычному комплексу и на основании предложенной идеи диссертационной работы разработать принципиальную схему добычного комплекса.
С учетом заданных параметров русловых алмазосодержащих россыпных месторождений разработать физическую модель добычного комплекса.
На основании принятой физической модели разработать математическую модель добычного комплекса.
Разработать методику экспериментальных исследований и экспериментальный стенд для проведения этих исследований.
С учетом экспериментальных данных выполнить анализ математической модели добычного комплекса с установлением функциональных связей между конструктивными и основными эксплуатационными параметрами добычного комплекса.
щ- Разработать методику расчета и выбора конструктивных и основных
эксплуатационных параметров добычного комплекса.
*
*
1. ХАРАКТЕРИСТИКА РУСЛОВЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АЛМАЗОВ АНГОЛЫ
Россыпные месторождения алмазов Народной Республики Ангола в основном сосредоточены на северо-востоке страны в районе, ограниченном с востока и севера государственной границей НРА с Заиром, с запада-долиной реки Кванго и Кассай, южной границей является зона месторождения Катока. Россыпные месторождения находятся на границе Северная-лунда и Южная-Луанда в 130км к югу от пос. Лукапа и в 26км к северу от г.Саурим. Речная сеть принадлежит к бассейну реки Конго, к ее левому притоку реки КасаЙ. Непосредственно месторождение находится на левом склоне реки Щи капа, на небольшом левом ее притоке реки Лов. Почти все реки порожисты, обладают большими запасами гидроэнергии.
Географическая кпрта Анголы
Рис.1.1. Географическая карта района месторождения
Общие сведения о россыпных месторождениях
Россыпями называются рыхлые или сцементированные отложения обломочных пород, содержащие отдельные зерна полезного ископаемого. Россыпи относятся к вторичным месторождениям, образовавшимся вследствие разрушения коренных рудных месторождений. Их образование связано с физическим и химическим выветриванием.
На месте разрушения коренных источников возникают элювиальные россыпи. При смещении выветрелого и дезинтегрированного материала по склону формируются делювиальные россыпи. Его накопление у подножья склонов может привести к образованию пролювиальных россыпей. Перемываемый реками обломочный материал служит основой для образования речных или аллювиальных россыпей. В результате ледниковой деятельности могут возникнуть ледниковые или глянциальные россыпи, а в результате деятельности ветраэоловые россыпи и прибрежно-морские. Таким образом, в группе россыпных месторождений выделяются следующие классы: 1) Элювиальный. 2) Делювиальный. 3) Пролювиальный. 4) Аллювиальный, разделяющийся на подклассы: а) косовый, б) русловый, в) долинный, г) дельтовый и террасовый: 5) Литоральный. 6) Гляциальный. 7) Эоловый. 8) Прибрежно-морские.
По времени образования россыпи могут быть как юночетвертичными или современными, так и древними или ископаемыми. По условиям залегания они могут быть открытыми или погребенными под толщей осадков, сформировавшихся после образования пород, вмещающих россыпь.
По форме залежей среди россыпных месторождений выделяются плащевые, пластовые, линзовидные, ленточные, шнурковые и гнездовые разновидности. Известные небольшие косовые и русловые россыпи длиной в десятки, сотни метров, вместе с тем встречаются протяженные аллювиальные россыпи алмазов, прослеживаемые на 3 - 5 даже 15 км. Большую протяженность имеют прибрежные россыпи. В россыпях концентрируются минералы, для которых характерны три признака; 1) высокая плотность, 2) химическая устойчивость в зоне окисления, 3) физическая прочность.
Так как в этом проекте рассматривается россыпное месторождение по добыче алмазов, для которого характерны следующие признаки - плотность его 3,5 г/м , химическая устойчивость в зоне окисления, хорошая физическая прочность. По составу ценного минерала, рассматриваемая россыпь однообразна с одним ценным минералом.
По коренному источнику ценного материала рассматриваемое месторождение является коренным месторождением полезного ископаемого. За счет разрушения коренного месторождения возникает россыпь алмаза.
Данное месторождение возникло в результате отмывания и разрушения кимберлитов, расположенных во внутреннем нагорье Анголы в провинциях Южная-Лунда и Северная-Лунда и в результате транспортировки материала под действием речного течения р. Кассай и под действием морского течения, направленного к северу, эти материалы распространились вдоль берега Атлантического океана.
В классе аллювиальных россыпей выделяются подклассы: косовый, русловый, долинный, террасовый и дельтовый.
Русловые, долинные и террасовые россыпи приурочены к основанию аллювиальных отложений соответствующих элементов речных систем. В поперечном сечении аллювиальных россыпей выделяются: 1) плотник, 2) пески или пласт, 3) торфа, 4) почвенный слой.
Плотник бывает коренной и ложный. Коренной плотник сложен коренными породами дна речной долины, состав и строение которых имеет огромное значение в формировании россыпей. С этой точки зрения различают четыре разновидности коренных плотников: 1) ровный и гладкий, 2) волнистый, 3) карстовый, 4) ребристый.
Ложный плотник подстилает верхние залежи сложных россыпей. Обычно ложный плотник представлен пластом плотной глины, находящимся в породах кровли, расположенных ниже основных алмазоносных песков.
Пески состоят из валунно-галечных отложений, содержащих в качестве связующей массы ту или иную примесь песчаного и глинистого материала. В них концентрируется основная масса тяжелых минеральных частиц, образуя так называемый «пласт».
Торфа представляют собой песчано-глинистые осадки, иногда с линзами галечника, объеденные тяжелыми минералами, и слагающие породы кровли «пласта».
Гидравлические и механогидравлические добычные устройства
Гидравлический способ добычи при водной разработке морских россыпей на шельфе с использованием технологических комплексов с гидроподъемными установками (землесосы, эжекторы, эрлифты) является при современном развитии горнодобывающих средств одним из наиболее эффективных способов разработки.
Землесосные снаряды
Из всех существующих средств подводной добычи полезных ископаемых и дноуглублении наиболее распространены земснаряды с грунтовыми насосами. В основном земснаряды применяют для выполнения гидромеханических работ при речной и озерной выемке горных пород со дна акватории. В последнее время земснаряды стали использовать и для добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов в прибрежных районах, защищенных от штормов, и других, отдаленных районах, откуда при необходимости можно быстро отбуксировать земснаряд в защищенное место.
Принцип действия. Земснаряды (гидравлические драги) можно классифицировать по многим признакам, в частности, по способу грунтозабора. Существуют земснаряды, разрабатывающие грунт непосредственным всасыванием, всасыванием с предварительным механическим рыхлением и с предварительным гидравлическим рыхлением.
По способу транспортирования грунта земснаряды делятся на перекачивающие пульпу по плавучему и подвесному пульповодам. К последним относятся также снаряды, выбрасывающие грунт в отвал через специальный насадок. По способу управления земснаряды можно разделить на снаряды с ручным и автоматическим управлением.
В Зависимости от способа энергоснабжения земснаряды могут быть разбиты автономные, которые несут на борту все энергопитающие установки, от внешних энергосетей.
Достоинства. Гидравлические драги всасывающего типа имеют ряд преимуществ перед многочерпаковыми. Они могут успешно применяться и при разработке прибрежных месторождений, когда в связи со сложными условиями, создаваемыми морем, многочерпаковые драги непригодны. Преимущества всасывающих драг перед многочерпаковыми заключаются в уменьшении капитальных затрат и увеличении возможной глубины разработки. Главная особенность гидравлического способа добычи — это непрерывность работы, обеспечивающая высокую производительность.
Недостатки. Сложность при эксплуатации россыпей шельфа с использованием установок гидроподъема заключается в том, что должна быть детально спланирована и предельно сбалансирована работа всей производственной цепи: добыча — обогащение — отвалообразование. Также при гидроподъеме горной массы с морского дна в обычном трубопроводе возникают серьезные технические трудности, связанные с наличием водных течений, дрейфом судна, возможными закупорками труб, отклонениями по вертикали и т. д.
Эрлифтные снаряды
Принцип действия. Эрлифт представляет собой погруженную в воду трубу с открытыми концами, в которую подается сжатый воздух. Воздух, вводимый в виде пузырьков, образует смесь, плотность которой меньше плотности воды, окружающей трубу, в результате чего смесь поднимается вверх и выливается из трубы. Если обеспечить контакт нижней части трубы с несвязными донными отложениями, то струи воды, поступающие в трубу, будут размывать и транспортировать грунт из зоны, определяемой полем скоростей перед устьем подъемной трубы эрлифта (рис. 1.13). Техническая характеристика.
Это глубоководные добычные устройства, широко применяющиеся для подводной добычи нерудных полезных ископаемых в реках и озерах, а также для добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. Сравнение энергетических и технике- экономических показателей различных типов всасывающих устройств позволяет сделать вывод об эффективности применения эрлифтов, отличающихся простотой конструкции и высокой надежностью при разработке полезных ископаемых на глубинах более 15-20м, что во многих случаях предопределяет их выбор в качестве добычного оборудования для эксплуатации морских россыпей и полезных ископаемых внутренних водоемов.
Описание конструкции и принципа действия комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей
Обводненные русловые алмазосодержащие россыпи в республике Ангола характеризуются шириной и глубиной реки, крупностью алмазосодержащей породы, скоростью течения реки, прочностью береговых откосов.
В соответствии с полученными данными ширина рек, содержащих продуктивные алмазосодержащие породы, составляет 20-60 м при глубине 5-15м. Донные отложения представлены гравийно-песчано-галечными отложениями с максимальной крупностью валунов не более 100мм.
Поперечный профиль русла рек, как правило, плавно изменяющийся, с максимальной глубиной примерно в середине руслового потока.
Прочность береговых откосов различная, в том числе имеются глинистые и илистые берега, требующие их укрепления с помощью временных (съемных) настилов, входящих в состав описанного выше добычного комплекса (п.2.1.).
Для разработки математической модели добычного комплекса, являющегося частью системы, в которую входит поперечный профиль русла реки, предлагается физическая модель добычного комплекса, характеризующаяся следующими параметрами.
1. Поперечный профиль руслового потока описывается дугой окружности постоянного радиуса.
2. Скрепер заполняется придонной алмазосодержащей породой по мере его продвижения в сторону скреперной лебедки. При этом заполнение скрепера принято пропорциональным его удалению от берега, противоположного скреперной лебедке.
Приняты две возможные схемы заполнения скрепера: по всей ширине русла реки и на половине ширины (на второй половине пути скрепер уже полностью заполнен алмазосодержащей породой).
Вес скрепера с учетом криволинейного профиля русла реки и скорости течения реки выбирается из условия заполнения скрепера алмазосодержащей породой (по известной методике) и проверяется из условия его поперечной и продольной устойчивости.
При разработке математической модели комплекса приняты следующие допущения: поперечный профиль русла реки в зоне разработки месторождения описывается дугой окружности, заполнение скрепера алмазосодержащей породой пропорционально горизонтальной проекции пути, пройденного скрепером от уреза воды; скорость течения максимальна на поверхности и одинакова по всей ширине реки, а к ее дну линейно убывает; сопротивления движению хвостовых канатов формируются за счет их скольжения по дну русла реки и предварительного натяжения канатов в точке их сбегания с барабанов лебедки; вектор натяжений хвостовых канатов расположен в плоскости, параллельной основанию скрепера; диаметры головного и хвостовых канатов одинаковы.
При этих допущениях уравнение равновесия системы скрепер - тяговые канаты - опорная поверхность, связывающее натяжение головного тягового каната, сопротивление движению скрепера по дну русла реки при постепенном заполнении скрепера алмазосодержащей породой, вес самого скрепера, линейную массу тяговых канатов, динамический напор руслового потока, сопротивления движению хвостовых канатов (рис. 2.4), имеет вид rcos(a- )-{ j+IS)=0,(2.1) где Г— натяжение головного тягового каната, Н; в— угол между вектором Г и горизонталью, град; Wp — статические сопротивления движению скрепера при рабочем ходе, Н; IS - суммарное натяжение хвостовых канатов, Н; а -мгновенный угол наклона скрепера к горизонтали на удалении х (м) от уреза воды, град.
Результаты экспериментальных исследований и их анализ
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:
1. Среднее значение плотности и насыпной плотности исследуемой породы (на воздухе) составляет соответственно у = 1,67т/м и у0 =2,55т/м . Данная порода характеризуется, начальным сопротивлением сдвигу то=0,65 Па и углом внутреннего трения р =23,5град.
2. Среднее значение коэффициентов сопротивления движению порожнего скрепера на воздухе и в воде составляет соответственно fj = 1,32 и /„ = 1,08, а их отношение изменяется в пределах 0,78- 0,82.
3. Сопротивления движению загруженного скрепера на воздухе и в воде =23,4 Н; =21,8 Н, а их отношение WfW= 21,8/23,4=0,93 4. Отношение заполняемости скрепера на воздухе и в воде 4 = тг1т г=1250/1500=0,83 .
5. Характер заполнения скрепера горной массой на воздухе и в воде различаются: при продвижении скрепера на фиксированное расстояние на воздухе объем массы в скрепере формируется в виде треугольной призмы, а при движении скрепера в воде продольный профиль, ограничивающий сверху объем очерчивается вогнутой кривой. При этом отношение объемов горной массы, заполняющей скрепер в воде и на воздухе, составляет 0,8 - 0,85, т. е. интенсивность заполнения скрепера при его движении в воде снижается на 15-20%.
6. Подтверждена принятая при разработке математической модели комплекса физическая модель заполнения скрепера алмазосодержащей породой, в соответствии с которой порода при движении скрепера скапливается в виде прямоугольной призмы у задней стенки скрепера.
7. Средние значения коэффициентов сопротивления движению порожнего скрепера в воде и на воздухе соответственно составляет: /ф = 1,08; /J = 1,32, а их отношение изменяется в пределах 0,78 + 0,82.
8. Средние значения коэффициентов сопротивления движению горной массы, перемещаемой скрепером в воде и на воздухе составляет: / 1,09; / =1,15, а их отношение изменяется в пределах 0,85 0,96.
9. При проектировании скрепера ящичного типа он должен снабжаться крышкой для предотвращения выноса алмазосодержащей породы через заднюю стену.
10. Полученные экспериментальные данные учитываются при анализе математической модели канатно-скреперной установки, выполненном в главе 4.
Для количественной оценки взаимосвязанных параметров канатно-скреперной установки приняты следующие исходные данные, характеризующие русловые алмазосодержащие россыпи республики Ангола: - ширина реки IO=20-J-60M; - глубина реки #0=5-=-15м; - скорость течения VQ \,2-:-2м/с; - плотность алмазосодержащей породы yQ-\ 55-s-3 T/MJ; - скорость движения скрепера Рр=Уц-1,5м/с; - коэффициент сопротивления движению алмазосодержащей породы в скрепере - 0,5; - коэффициент сопротивления движению скрепера по донным отложениям fo=0 5 0,65; - коэффициент трения каната по данным отложениям ;=0}35; - коэффициент использования объема скрепера к=0,15; - плотность воды ув= 105 Окг/м3.
Численное решение системы уравнений ( ) и ( ) позволило установить функциональные связи между основными параметрами канатно-скреперной установки, представленные в таблицах и графиках.
В представленных ниже таблицах и графиках приняты следующие обозначения: х - линейная координата, определяющая мгновенное положение скрепера, м; a - мгновенный угол наклона скрепера к горизонту (град.), соответствующий координате х7 м; Т— натяжение тягового каната, Н; в - угол между вектором натяжения Т и горизонталью, град; Wv - сопротивление движению скрепера, Н; 2S - суммарное натяжение хвостовых канатов, Н; G0(rm) - вес скрепера (в воде) из условия поперечной устойчивости, Н; G0(np) - вес скрепера (в воде) из условия продольной устойчивости, Н.
