Обґрунтування раціональних параметрів виконавчого органа приладу для підводного видобутку сипких корисних копалин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИКОНАВЧОГО ОРГАНА ПРИЛАДУ ДЛЯ ПІДВОДНОГО ВИДОБУТКУ СИПКИХ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Спеціальність: 05.05.06 - “Гірничі машини”

БОНДАРЕНКО Андрій Олексійович

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин Національної гірничої академії України (м.Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Франчук Всеволод Петрович, Національна гірнича академія України (м.Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри гірничих машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Виноградов Борис Володимирович, Український державний хіміко-технологічний університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри теоретичної механіки та опору матеріалів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Взоров Анатолій Анатолійович, Інститут гео-технічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ), старший науковий співробітник відділу механіки машин та процесів переробки мінеральної сировини

Провідна установа - Донецький державний технічний університет (м.Донецьк) Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничих машин

Захист дисертації відбудеться “ 29 ” листопада 2000 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.06 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м.Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м.Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11)

Автореферат розісланий “ 28 ” жовтня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов

АНОТАЦІЯ

видобуток копалина гідравлічний

Бондаренко А.О. Обгрунтування раціональних параметрів виконавчого органа приладу для підводного видобутку сипких корисних копалин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - “гірничі машини”. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертацію присвячено питанню розробки методів розрахунку раціональних параметрів робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин. Обгрунтовано перспективність застосування грунтозабірного пристрою з гідравлічним розпушувачем, що дає можливість виймати грунт з-під поверхні дна при підводному видобутку розсипних корисних копалин з глибин до 100 м.

Досліджено процес розмиву незв'язного грунту водяним струменем у стислих умовах піддонного вибою та взаємодію процесів розмивання грунту і всмоктування одержаної пульпи. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень отримано аналітичні залежності для визначення геометричних параметрів піддонної зони розмиву, а також аналітичні вирази, які дозволяють раціоналізувати процес виймання грунту робочим органом із струминним транспортним насосом.

Розроблено інженерну методику розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу. Здійснено успішне промислове випробування робочого органу, систему розмиву якого спроектовано з використанням даної методики.

Ключові слова: підводний видобуток, екологічно ощадливий метод, робочий орган, піддонне виймання, гідравлічне розпушення, незв'язний грунт, зона розмиву.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко А.А. Обоснование рациональных параметров исполнительного органа установки для подводной добычи россыпных полезных ископаемых. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - “горные машины”. Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена вопросу разработки методов расчета рациональных параметров рабочего органа установки для экологически щадящей добычи россыпных полезных ископаемых. На основании аналитического обзора обоснована перспективность применения грунтозаборного устройства с гидравлическим рыхлителем, позволяющего вынимать грунт из-под поверхности дна при подводной добыче россыпных полезных ископаемых с глубин до 100м.

Исследован процесс размыва несвязного водонасыщенного грунта турбулентной водяной струей в стесненных условиях под поверхностью дна и взаимодействие процессов размыва грунта и всасывания пульпы. В результате силового анализа установлены критерии для моделирования размывающей струи и потока, возникающего при возвратном движении жидкости из зоны размыва, а также получен их вид. Выведены аналитические зависимости для определения длины и ширины поддонной зоны размыва при воздействии на грунт вертикальной турбулентной водяной струи. Установлен факт переменности коэффициента расширения струи при размыве грунта в стесненных условиях поддонного забоя и получено аналитическое выражение для его расчета. Выведена также аналитическая зависимость для определения коэффициента средней скорости возвратного потока. В результате анализа совместно действующих процессов размыва грунта и всасывания пульпы в поддонном забое установлены факторы влияющие на эффективность добычи при поддонной выемке. Получены выражения, позволяющие рационализировать процесс выемки грунта рабочим органом со струйным транспортным насосом.

Создана лабораторная установка, на которой проведены экспериментальные исследования в соответствии с разработанной методикой. В ходе лабораторных исследований, для выяснения общей физической картины, проведена работа по визуальному наблюдению и описанию процесса размыва грунта и взаимодействия процессов размыва грунта и всасывания пульпы. В результате обработки экспериментальных данных на ПК определены численные значения эмпирических коэффициентов и обоснована достоверность полученных результатов.

На базе выполненных исследований разработана инженерная методика расчета параметров системы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезных ископаемых. Методика включает расчет гидроподьема, параметров струйного насоса и собственно системы размыва. Расчет параметров гидроподьема и струйного насоса предусмотрено вести с использованием известных методик. При расчете системы размыва применены зависимости для определения геометрических параметров зоны размыва, выведенные ранее. Инженерная методика представлена на примере расчета параметров системы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей добычи песка. Разработанная методика внедрена в НИПИокеанмаш, где была использована при проектировании рабочего органа опытно-промышленной добычной установки. При ее испытаниях на речном месторождении строительных песков установлено повышение производительности на 10% по сравнению с вариантом применения ранее сконструированного рабочего органа. В результате сравнительного исследования экологического состояния района добычи установлено значительное снижение ущерба, наносимого окружающей среде, по сравнению с традиционными способами гидромеханизации. Расчетный экономический эффект, ожидаемый при промышленной разработке строительного песка на речном месторождении, полученный за счет внедрения результатов диссертационной работы составляет, в ценах 1998г., 9360 грн. за год.

Ключевые слова: подводная добыча, экологически щадящий метод, рабочий орган, поддонная выемка, гидравлическое разрыхление, несвязный грунт, зона размыва.

SUMMARY

Bondarenko A.A. Grounding rational parameters of the working body of unit for submarine production of the alluvial minerals. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.05.06 - “Mining Machines”. National Mining University of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to the question of development of methods for accounting rational parameters of the working body of unit for ecologically sparing extraction of alluvial minerals. The perspectives of using the ground-extraction body with hydraulic loosener, allowing to take ground from under a bottom surface during submarine mining of alluvial minerals from depths up to 100m, are grounded.

The process of incoherent ground loosening by a water jet in constraint conditions under bottom surface and interaction of processes of ground loosening and pulp suction are investigated. As a result of theoretical and experimental researches, the analytical expressions for determining geometrical parameters of underbottom loosening zone and also the analytical expressions allowing to rationalize the process of ground extraction by the working body with a jet transport pump are obtained.

The engineering technique for calculation of a working body loosening system's parameters is developed. The loosening system of the new working body is designed with use of the mentioned technique. The successful industrial tests of the working body are conducted.

Key word: submarine production, ecologically sparing method, working body, under-bottom extraction, hydraulic loosening, incoherent ground, loosening zone.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Один з головних напрямків національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну та інших районів Світового океану є створення промислово-технологічних комплексів для видобутку пісків та мулів з акваторії Чорного та Азовського морів. Найбільш перспективні, за комплексною оцінкою, яка об'єднує значення для народного господарства, геологічну вивченість та прогнозні запаси, види корисних копалин Азово-Чорноморського басейну будівельний пісок і піщано-черепашкові суміші.

Аналіз та узагальнення світового досвіду розробок підводних родовищ розсипних корисних копалин свідчить про зростаючий інтерес до підводних розробок у економічно розвинених країнах з виходом до моря. Особливо це стосується видобутку піску та гравію для будівельних потреб. Для розробок використовуються різні види грунтозабірних пристроїв, проте всі вони мають значний недолік. Так, підводний видобуток розсипних корисних копалин із застосуванням існуючих конструкцій грунтозабірників призводить до негативного впливу на водне середовище внаслідок скаламучення водоймища, знищення поверхневого шару дна, багатого рослинністю та мікрофауною. При видобутку грунтів з-під поверхні дна розкривні роботи не здійснюються, тому негативний вплив видобувних робіт на навколишнє середовище значно зменшується. При такому видобутку використовується грунтозабірний пристрій спеціальної конструкції, але через маловивченість процесів розмиву та всмоктування, які відбуваються в піддонній зоні розмиву, він працює не в раціональному режимі. Таким чином, актуальність створення засобів для екологічно ощадливого видобутку розсипних корисних копалин з підводних родовищ, а також отримання їх раціональних параметрів обумовлені потребами гірничовидобувної та будівельної галузей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з науковим напрямком кафедри гірничих машин НГА України та є складовою наукових досліджень, виконаних в межах держбюджетної теми ДП-210 “Обгрунтування екологічно безпечних методів підводного видобутку і транспортування корисних копалин з акваторії Азово-Чорноморського басейну та інших районів Світового океану” (1997-1999рр.) за № держреєстрації 0197U016029.

Мета роботи полягає в розробці методів розрахунку раціональних параметрів робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:

Огляд та аналіз досліджень розмивання грунту струменем води. Обгрунтування розрахункової схеми і методу розрахунку розмірів піддонної зони розмиву. 2. Встановлення основних закономірностей процесу розмивання грунту в піддонному вибої та експериментальне визначення емпіричних коефіцієнтів. 3. Теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії процесів розмивання грунту та всмоктування пульпи. 4. Розробка методики розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Об'єктом дослідження є процес всмоктування пульпи, отриманої в результаті розмивання незв'язного грунту системою різноспрямованих турбулентних водяних струменів, який проходить в стислих умовах під поверхнею дна, при видобутку розсипних корисних копалин з глибин до 100 м.

Предметом дослідження є система розмиву робочого органу, яка являє собою систему різноспрямованих форсунок, призначених для створення розмиваючих струменів.

Ідея дисертаційної роботи полягає у використанні теорії струминних потоків та гідродинамічних критеріїв подібності при розрахунку раціональних значень параметрів системи розмиву робочого органу.

Методика досліджень. Поставлені задачі вирішувалися шляхом узагальнення та аналізу літературних джерел, використання комплексного методу досліджень, який включає теоретичне і експериментальне вивчення, стандартних методів і критеріїв прикладної гідродинаміки, аналізу фактичного матеріалу, отриманого завдяки лабораторним дослідженням із впровадженням основних результатів у практику видобувних робіт. Експериментальні досліди виконувалися в лабораторних умовах із застосуванням спеціально розробленої установки. Обробка отриманих даних та перевірка адекватності аналітичних залежностей здійснювалися на ПЕОМ в пакетах Excel і MathCad з використанням методів математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються в дисертації.

Коефіцієнт розширення турбулентного затопленого водяного струменя, який виконує роботу розмивання грунту в стислих умовах піддонного вибою, перебуває в гіперболічній залежності від числа Рейнольдса і обернено пропорційний відносній крупності грунту.

Довжина та ширина зони розмиву, яка утворилася в результаті роботи турбулентного затопленого водяного струменя в піддонному вибої, визначаються відповідно критеріями Рейнольдса та Фруда.

Максимальна продуктивність процесу виймання грунту з піддонного вибою та стабільність його проходження досяжні при утворенні пульпи з максимально можливою постійною щільністю і при плавному, без обвалень, опусканні грунту в зону розмиву.

Наукова новизна одержаних результатів.

Уперше встановлено, що коефіцієнт розширення струменя, витікаючого в стислих умовах піддонного вибою перебуває в залежності від чісла Рейнольдса і відносної крупності грунта.

Встановлені основні закономірності процесу розмивання грунту затопленим струменем води, які вирізняються тим, що описують процес, який відбувається у стислих умовах піддонного вибою, а геометричні розміри зони розмиву розраховуються з використанням критеріїв Рейнольдса та Фруда.

Встановлене раціональне співвідношення вхідного потоку води та вихідного потоку пульпи в зоні розмиву при якому спостерігається максимальна продуктивність процесу виймання грунту та стабільність його проходження. Зона розмиву відрізняється тим, що являє собою замкнену зону штучного гідравлічного масообміну.

Розроблений метод розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу для піддонного виймання грунту, який відрізняється тим, що враховує взаємодію розмиваючих струменів з масивом грунту та між собою.

Обгрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються значним обсягом теоретичних та експериментальних досліджень, задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних значень коефіцієнта розширення струменя та коефіцієнта середньої швидкості зворотного потоку, що характеризується довірчими інтервалами 8% з довірчою ймовірністю 95%, а також результатами випробувань робочого органу дослідно-промислової видобувної установки.

Наукове значення роботи полягає у визначенні параметрів гідравлічного розпушування незв'язних грунтів у стислих умовах піддонного вибою, встановленні аналітичної залежності для визначення коефіцієнта розширення струменя, одержанні аналітичних залежностей, які дають змогу прогнозувати зміну розмірів піддонної зони розмиву залежно від параметрів струменя, діаметра сопла форсунки і фізико-механічних властивостей грунту, який підлягає розпушуванню, а також в обгрунтуванні раціонального режиму роботи грунтозабірного пристрою.

Практичне значення роботи полягає в розробці науково обгрунтованої інженерної “Методики розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин” та вихідних потреб на проектування робочого органу видобувної установки, в створенні робочого органу, спроектованого з використанням зазначеної інженерної методики.

Реалізація результатів роботи. Основні результати роботи використані в науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті машинобудування для видобутку твердих корисних копалин Світового океану - НДПІокеанмаш (м. Дніпропетровськ) - при проектуванні системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого видобутку піску УЩДП-1.00.000, при промислових дослідженнях робочого органу ГР-2.00.000 в умовах річкового родовища будівельного піску; у закритому акціонерному товаристві “Океанмаш-Будматеріали” - під час промислових досліджень та експлуатації установки УЩДП-1.00.000. Методика розрахунку системи розмиву робочого органу впроваджена в НДПІокеанмаш, при проектуванні системи розмиву робочого органу.

Річний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи, зокрема при промисловому видобутку піску, в цінах 1998р., очікується в сумі 9360 грн.

Особистий внесок автора: досліджений процес розмивання незв'язного грунту турбулентним водяним струменем у стислих умовах піддонного вибою та взаємодія процесів розмивання грунту і всмоктування отриманої пульпи; встановлені критерії для моделювання процесу розмивання грунту в піддонному вибої та отриманий їх вид; виведені аналітичні залежності для одержання геометричних параметрів піддонної зони розмиву; розроблена та складена лабораторна установка, проведені лабораторні дослідження, отримані числові значення емпіричних коефіцієнтів; установлений факт змінності коефіцієнта розширення струменя при розмиванні грунту в стислих умовах під поверхнею дна та одержаний аналітичний вираз для його розрахунку; обгрунтований раціональний режим роботи грунтозабірного пристрою із струминним транспортним насосом; створена інженерна методика розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародній конференції, присвяченій 60-річчю кафедри гірничих машин НГА України “Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпропетровськ,1997); на міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю з дня заснування Національної гірничої академії України “ сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 1998); на науково-технічній нараді “Екологічні проблеми та особливості експлуатації берегових об'єктів морегосподарського комплексу України” (м. Ізмаїл,1998); на міжнародній науково-практичній конференції “Раціональному використанню землі й океану сучасну техніку і технології” (м. Дніпропетровськ,1999).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 8 статтях, в тому числі 5 - у наукових фахових виданнях.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота налічує 178 сторінок машинописного тексту і складається з вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел з 82 назв. Текстова частина проілюстрована 31 рисунком, має 4 таблиці і 8 додатків на 60 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячено огляду і аналізу сучасних способів та засобів для підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Розглянуто типи, конструкції і експлуатаційно-технологічні можливості механізмів для підводних гірничих робіт при розробці розсипних родовищ. Виявлені недоліки механічних снарядів і на прикладах досвіду застосування гідравлічних снарядів обгрунтована перспективність таких видобувних пристроїв.

Огляд конструкцій сучасних грунтозабірних пристроїв, аналіз їх переваг та недоліків дали змогу зробити висновок, що найбільш перспективний засіб для розробки підводних родовищ розсипних корисних копалин є робочий орган з гідравлічним розпушувачем, застосування якого дозволяє видобувати незв'язний грунт з-під поверхні дна. Він має високі показники надійності і низький рівень порушення навколишнього середовища в процесі видобутку. Таким робочим органом може стати розроблена в НДПІокеанмаш конструкція (рис.1).

Цей робочий орган дозволяє видобувати піщані та гравелисті грунти. За допомогою такого грунтозабірника корисна копалина, відділена від вибою гідравлічним розпушувачем відсмоктується у суміші з водою з піддонної зони розмиву, що міститься під поверхнею дна. Таким чином, при розробці грунтів виключено закаламучення водойми і порушення цілісності та структури поверхні дна. Наведено огляд і аналіз досліджень та методів розрахунку гідравлічних розпушувачів, виконаних Б.М. Шкундіним, Д.В.Рощупкіним, Г.Н. Сизовим, І.М. Коноваловим, С.П. Огородниковим, А.І. Харіним, П.П.Пуховим та ін. Відзначено, що відомі на цей час методики розрахунку гідравлічних розпушувачів дають об'єктивну інформацію для їх проектування, проте не враховують специфічних особливостей експлуатації розпушувачів під час роботи розмиваючого струменя в умовах штучного гідравлічного масообміну води і пульпи, що виникає при видобутку грунтів з-під поверхні дна. У розглянутих методиках відсутні також методи розрахунку, які спираються на теорію подібності, хоча вона широко застосовується при моделюванні струминних потоків. Тому актуальною є задача розробки методу розрахунку гідравлічного розпушувача для піддонного розпушування грунту, що базується на принципах гідродинамічної подібності.

В результаті огляду теоретичних засад вільного всмоктування грунтів і конструкцій всмоктувальних наконечників, обгрунтована висока ефективність глибинного всмоктування “з-під шару” як такого, що забезпечує більш високу консистенцію пульпи і, відповідну продуктивність земснаряду. Тому актуальним можна вважати комплекс завдань з розробки та вдосконалення всмоктувальних наконечників, призначених для глибинного видобутку грунтів, і вибір раціонального режиму їх роботи. У кінці розділу сформульовані задачі теоретичнихі експериментальних досліджень та методи їх виконання.

Другий розділ присвячено результатам теоретичних досліджень процесу розмивання грунту одиночним турбулентним затопленим водяним струменем та всмоктування пульпи в піддонному вибої. Запропонована модель взаємодії одиночного турбулентного струменя рідини з масивом середовища (рис.2).

Згідно з нею струмінь витікає з форсунки, заглибленої в масив, і відриває частинки середовища, створюючи тим самим зону розмиву. З досягненням швидкості струменя граничного значення, при якому він розмиває масив, струмінь змінює напрямок і утворює зворотний потік. Таким граничним значенням швидкості можна вважати розмиваючу швидкість. Отже взаємодія струменя з масивом призводить до утворення зони розмиву такого розміру, за якого на її кордонах установлюється швидкість потоку, що дорівнює розмиваючій, а процес, протягом якого виникли такі умови, є сталий. Силову взаємодію одиночного турбулентного затопленого струменя з масивом незв'язного середовища в піддонному вибої розглянуто на основі теореми про кількість руху для секундної маси нестисливої рідини затопленого струменя в перерізі 0-0 і 2-2. За допомогою теоретичного аналізу встановлено зв'язок струминного потоку двофазного середовища в піддонній зоні розмиву з гідродинамічним критерієм подібності - числом Рейнольдса, що характеризує відношення динамічних сил струменя до сил в'язкості, які виникають при в'язкому терті рідини струменя, який витікає в пульпу. Число Рейнольдса отримано у вигляді

 , (1)

де - швидкість струменя в перерізі 0-0, м/с; - радіус струменя в перерізі 0-0, м; - кінематична псевдов'язкість, м2/с;

При описанні зворотного потоку, який утворює бокові поверхні зони розмиву і сприяє транспортуванню вгору або підтриманню частинок грунту в завислому стані, встановлена його залежність від критерію Фруда, що характеризує відношення динамічних сил до сил ваги. Критерій Фруда визначений у такому вигляді

, (2)

де L - довжина зони розмиву, м.

Отже, проведені теоретичні дослідження силової взаємодії струменя нестисливої рідини з масивом водонаповненого незв'язного середовища у стислих умовах піддонного вибою дають змогу зробити висновок про те, що при виводі залежностей та розрахунку коефіцієнтів для розмиваючого струменя та струменя зворотного потоку необхідно скористатися відповідно критеріями Re і Fr.

На базі отриманих результатів встановлені аналітичні залежності для визначення розмірів піддонної зони розмиву. Внаслідок припущення, що одиночний турбулентний струмінь нестисливої рідини витікає з форсунки радіусом R в масив, середня крупність частинок якого - , форсунка встановлена на глибину, при якій зона розмиву опиняється у замкнутому просторі під поверхнею дна, фільтрація в зону розмиву відсутня, та з міркувань нерозривності потоку, де кількість рідини струменя, яка проходить через переріз 0-0 за одиницю часу дорівнює її кількості, що переміщається через переріз 2-2 за той же час, отримана залежність для визначення довжини зони розмиву

, (3)

де c- коефіцієнт розширення струменя; - розмиваюча швидкість (характеристика грунту), м/с.

При оцінній обробці даних експериментів установлено, що коефіцієнт розширення струменя для стислих умов піддонного вибою - величина не постійна, як для затопленого струменя, що витікає в необмежений простір, а змінна. Виходячи з цього одержано аналітичний вираз для його визначення у вигляді гіперболічної залежності від числа Re

, (4)

де a,b,m - емпіричні коефіцієнти; - відносна крупність частинок грунту; D - діаметр сопла форсунки, м.

Результатом аналізу літературних джерел і оцінної обробки експериментальних даних стало припущення, що кінематична псевдов'язкість, яка входить у визначення числа Рейнольдса, може бути подана у вигляді залежності від кінематичної в'язкості води та крупності грунту

, (5)

де - кінематична в'язкість води, м2/с; - еталонна крупність грунту, прийнята 0,21мм; p, - емпіричні коефіцієнти.

Слід відзначити, що концентрація твердого є функція від розмиваючої швидкості, яка, в свою чергу, залежить від крупності грунту, що розмивається - . Таким чином можна вважати, що

узагальнюючий показник, який враховує і концентрацію твердого, що регулюється показником степеня p.

Як початкові умови для визначення максимальної ширини зони розмиву прийнято, що одиночний струмінь нестисливої рідини, який витікає з форсунки з радіусом R, відбивається від вибою, що перебуває на відстані L від сопла форсунки, та утворює зворотний потік, який формує бокові поверхні зони розмиву. В результаті виведення аналітичного вираження для визначення максимальної ширини зони розмиву на підставі припущення про нерозривність зворотного потоку отримана залежність

, (6)

де k - коефіцієнт середньої швидкості зворотного потоку.

Виходячи з теоретичних досліджень силової взаємодії струменя зворотного потоку з поверхнями зони розмиву і грунтом, що підтримується в завислому стані, з урахуванням виду емпіричної залежності, одержаної в результаті оцінної обробки експериментальних даних, коефіцієнт середньої швидкості зворотного потоку визначено у вигляді гіперболічної залежності від числа Fr

, (7)

де e, f - емпіричні коефіцієнти.

Дослідження процесу виймання грунту з піддонного вибою дало можливість зробити його описання, зафіксувати на фотографіях, установити чинники, які впливають на ефективність всмоктування грунту із зони штучного гідравлічного масообміну.

Унаслідок проведення попередніх експериментів підтверджено, що на ефективність всмоктування грунту переважно впливає відношення кількості води, що надходить у зону розмиву, до кількості пульпи, яка відсмоктується з неї. В зв'язку з цим розглянуто процес всмоктування розмитого грунту з піддонної зони розмиву для визначення раціонального співвідношення витрата.

Процес піддонного видобутку грунту подано у вигляді схеми (рис.3), де введено позначення: - витрата насоса, м3/с; - витрата води на ежекцію, м3/с; - витрата води на розмив, м3/с; - витрата грунту, що надходить в зону розмиву та відсмоктується з неї, м3/с; - витрата пульпи, яка відсмоктується із зони розмиву, м3/с; - витрата пульпи на виході з робочого органу, м3/с; - щільність води, кг/м3; - щільність розмитого грунту з відносною вологістю 100%, кг/м3; - щільність пульпи в зоні розмиву, кг/м3; - щільність пульпи на виході, кг/м3.

В результаті експериментальних досліджень установлено, що при подаванні розмиваючої води в зону розмиву з витратою більшою деякого критичного значення, у зоні розмиву формується так званий водяний пузир, який, досягши критичного об'єму, виходить на поверхню дна вздовж робочого органу. При цьому концентрація пульпи в зоні розмиву змінюється від мінімальної, в кінцевій стадії утворення водяного пузиря, до максимальної - в момент його виходу на поверхню та обвалення покрівлі. Під час подачі розмиваючої води в зону розмиву з витратою, меншою критичного значення, установлено затухання процесу всмоктування пульпи. Очевидно, найкращі умови для видобутку з піддонної зони штучного гідравлічного масообміну будуть при подачі розмиваючої води в зону розмиву з витратою, що відповідає критичному значенню. В результаті розв'язку рівняння збереження мас в ежекційному робочому органі отримана залежність для визначеннятакої критичної витрати розмиваючої води з зону розмиву

, (8)

де е - коефіцієнт балансу масових витрат.

Для зручності розрахунку раціональних параметрів робочого органу із струминним транспортним насосом введений коефіцієнт витрати у вигляді співвідношення витрат розмиваючого та ежекційного потоків

. (9)

У третьому розділі висвітлені лабораторні досліди розмиву грунту та взаємодії процесів розмиву грунту і всмоктування пульпи в піддонній зоні штучного гідравлічного масообміну. Описано лабораторну установку, параметри якої розраховані на основі даних експериментів та аналітичних залежностей, отриманих Д.В. Рощупкіним при вивченні поверхневого розмиву грунту вертикальним турбулентним струменем. При виготовленні елементів установки використані відомі методи розрахунку. Для замірювання досліджуваних параметрів застосовано стандартну метричну апаратуру. Лабораторні дослідження здійснені за програмою, розробленою відповідно до стандартних положень.

Унаслідок обробки експериментальних даних отримані числові значення емпіричних коефіцієнтів у залежностях для визначення геометричних параметрів зони розмиву. Значення емпіричних коефіцієнтів розраховані на ПЕОМ у пакеті MathCAD з використанням методу найменших квадратів. Графічне зображення теоретичних залежностей коефіцієнта розширення струменя від числа Re та коефіцієнта середньої швидкості зворотного потоку від числа Fr подані на рис.4 і рис.5, де знаками зображені дослідні значення зазначених коефіцієнтів для досліджувальних форсунок різних діаметрів.

Графічні залежності довжини та найбільшої ширини зони розмиву від швидкості витікання води з форсунки - відповідно на рис.6 і рис.7, де їх можна порівняти з експериментальними значеннями.

На базі лабораторних досліджень взаємодії процесів розмиву грунту та всмоктування пульпи вивчена фізика процесу піддонного виймання грунту, що дало змогу описати поведінку незв'язного грунту при його опусканні в зону розмиву і утворенні воронки, визначено значення коефіцієнта балансу масових витрат.

Оцінка точності отриманих аналітичних залежностей виконана за стандартною методикою. В результаті статистичної обробки встановлено, що похибка теоретичних значень коефіцієнта розширення струменя та коефіцієнта середньої швидкості зворотного потоку з довірчою ймовірністю 95% перебуває в межах 8%.

Залежності для розрахунку геометричних параметрів зони розмиву справедливі за умов, що матеріалом, який розмиває струмінь, повинен бути незв'язний пісок з середньою крупністю частинок =0,1…1,5 мм, при цьому фізика процесу розмивання буде збережена, якщо зона розмиву залишиться зоною штучного гідравлічного масообміну.

Четвертий розділ знайомить з методикою розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Методика включає розрахунок гідропідйому, струминного насосу і параметрів розмиваючих форсунок. Розрахунок параметрів гідропідйому та струминного насосу передбачено вести з використанням відомих методик. У результаті розрахунку визначаються: продуктивність пульпи на виході з робочого органу, втрати напору по довжині трубопроводу, витрата робочої води через ежекційні форсунки, параметри ежекційних форсунок і водяного насосу.

З метою визначення потрібної витрати робочої води через розмиваючі форсунки розглянуті питання механіки грунту, що виймається з піддонної зони розмиву. Для раціонального використання розмиваючої води, здійснення забурювання, розмиву та насичення грунту водою прийнято схему розміщення форсунок на робочому органі, за якою загальний потік розмиваючої води розділено на два: для буріння і підрізання. Розподіл води за названими напрямками здійснюють за допомогою кількості та діаметра форсунок, причому на буріння формують потік, мінімально необхідний для розмивання грунту і створення зони розмиву з розміром, достатнім для забурення робочого органу, а потік води, що залишився, спрямовують на підрізання.

Потрібний діаметр форсунок для буріння визначають, розв'язуючи систему рівнянь, в яку входять аналітичні вирази для визначення геометричних параметрів зони розмиву

. (10)

Необхідну ширину зони розмиву, утворену одиночним струменем, знаходять при цьому за формулою (рис.8)

, (11)

де ; ;

діаметр робочого органу, м; - діаметр розстановки форсунок на робочому органі, м.

Потік, спрямований на буріння, призначений для забурювання робочого органу в грунт та розмивання останнього. Форсунки для буріння розташовують у торці робочого органу. Використання потоку для підрізання передбачено для насичення водою і розмивання грунту, який опускається в зону розмиву в процесі видобутку корисної копалини. Підрізаючі форсунки розставляють по периметру робочого органу і спрямовують горизонтально (рис.1).

Діаметр форсунок для підрізання беруть рівним діаметрові форсунок для буріння і розташовують їх симетрично по периметру робочого органу з метою рівномірного розмивання та насичення грунту водою.

Інженерна методика представлена на прикладі розрахунку параметрів системи розмиву робочого органу установки для екологічно ощадливого видобутку піску.

У центрі уваги п'ятого розділу результати випробувань промислового зразка робочого органу і видобувної установки в цілому на річковому родовищі будівельного піску.

Наведено характеристику родовища, кліматичні умови випробувань, склад випробного комплексу. Викладено методику досліджень та результати замірів екологічного стану району видобувних робіт. Установлено, що продуктивність установки по твердому склала 80…85т/год, що на 10% більше показника продуктивності для установки, в якій використовувався раніше сконструйований робочий орган. Незважаючи на зменшення кількості форсунок для буріння з 6 до 3 шт. швидкість забурювання робочого органу збережена на рівні 0,2…0,3 м/хв, що відповідає швидкості забурювання робочого органу з попереднім набором форсунок. Підвищення продуктивності досягнуто за рахунок раціонального перерозподілу пропорції між розмиваючим та ежекційним потоками у робочому органі за інших рівних умов.

Дослідження екологічного стану району видобутку, проведені паралельно з випробуваннями технологічного обладнання, виявили, що порівняно з традиційними способами гідромеханізації землесосними снарядами при видобутку грунтів екологічно ощадливим методом прозорість води в зоні видобувних робіт збільшилась у 6 разів, кількість фітопланктону зафіксовано в 2,5…3 рази більше, об'єм донної фауни зберігся на рівні 90…95% від початкового.

Результати, отримані під час апробації видобувного обладнання, а також дослідження екологічного стану в районі видобувних робіт, дозволяють вважати даний спосіб підводного видобутку для розробки розсипних корисних копалин як високоефективний і перспективний.

За результатами маркетингових досліджень ринку будівельних матеріалів північного Причорномор'я та Автономної Республіки Крим оцінена перспективність використання установки для екологічно ощадливого видобутку при морських розробках розсипних корисних копалин.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на підставі результатів теоретичних та експериментальних досліджень дано вирішення актуальної задачі, що полягає в розробці методів розрахунку раціональних параметрів робочого органу установки для екологічно ощадливого підводного видобутку розсипних корисних копалин.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації:

Установлено, що при піддонному розмиванні грунту критерієм для моделювання розмиваючого струменя є число Рейнольдса, а для потоку, що виникає при зворотному русі рідини із зони розмиву - число Фруда. Отриманий вид критеріїв Рейнольдса і Фруда для зазначених умов роботи струменя.

Визначені закономірності взаємодії струминного потоку з масивом грунту при піддонному розмиванні, які дозволили встановити аналітичні залежності для розрахунку довжини та ширини зони розмиву. Одержані числові значення емпіричних коефіцієнтів, що входять до цих залежностей.

При піддонному видобутку грунту його всмоктування здійснюється із зони руху, що міститься над всмоктувальним отвором, причому максимальна швидкість струму грунту в зону розмиву зафіксована на внутрішній поверхні зони руху, а мінімальна - на зовнішній. Встановлено, що концентрація твердого в пульпі максимальна, а процес видобутку сталий, при подачі розмиваючої води з витратою, що відповідає критичному значенню, при якому в зоні розмиву встановлюється раціональне співвідношення витрат вхідних та вихідних потоків.

Створена експериментальна лабораторна установка дає змогу вивчати взаємодію струменя рідини з масивом незв'язного матеріалу і роботу грунтозабірного робочого органу з гідромоніторним розпушувачем в умовах піддонного вибою.

Достовірність теоретичних посилок, здобутих аналітичних залежностей та прийнятність їх для практичних розрахунків підтверджена такими даними: середньоквадратична відносна похибка окремих вимірів від розрахункових значень для коефіцієнта розширення струменя становить відповідно середнім крупностям розмиваного піску: =0,21 мм - 14,49% і =0,31 мм - 12,49%, для коефіцієнта середньої швидкості зворотного потоку відповідно при =0,21 мм - 16,38% і при =0,31 мм - 17,87%. Похибка значень даних коефіцієнтів з довірчою ймовірністю 95% не перевищує 8%.

Застосування результатів досліджень при проектуванні та експлуатації робочого органу дало можливість створити умови для підвищення продуктивності видобувної установки на 10%. Це було досягнуто завдяки раціонального перерозподіла пропорції між розмиваючим та ежекційним потоками в робочому органі за інших рівних умов.

Система розмиву робочого органу, спроектована з використанням методів розрахунку, розроблених у дисертаційній роботі, містить удвічі меншу кількість форсунок для буріння. Швидкість забурювання робочого органу ГР-2.00.000, встановлена в результаті промислових випробувань установки УЩДП-1.00.000, становить при цьому 0,2…0,3 м/хв., що відповідає швидкості забурювання робочого органу з попереднім набором форсунок.

Річний економічний ефект, отриманий за рахунок впровадження результатів дисертаційної роботи, в разі промислового видобутку піску, за цінами 1998 р. очікується в сумі 9360 грн.

Основні положення дисертаційної роботи знайшли відображення в наступних публікаціях

1. Обоснование экологически приемлемого пути создания средств для подводной добычи песка/В.П. Франчук, Є.С.Запара, А.О.Бондаренко, А.П.Зіборов, А.П. Бордій// Металлург. и горноруд. пром-сть.-1997.-№2.-С.3-5.

2. БондаренкоА.О. Обоснование параметров экспериментальной установки для исследования процессов подводного размыва и отсасывания песка//Вибрации в технике и технологиях.-1998.-№4.-С.34-35.

3. Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.О. Исследование процесса подводного размыва песка в стесненных условиях//Вибрации в технике и технологиях.-1998.-№4.-С.36-37.

4. Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.О.Определение размеров зоны размыва грунта, образованной форсункой, заглубленной под поверхность дна//Сб. научн. трудов НГА Украины.-1998.-№3,Том 6.-С.146-151.

5. Кухар В.Ю., Запара Є.С., Бондаренко А.О.Випробування технологічного обладнання для екологічно ощадливого видобутку піску з підводних родовищ//Науковий вісник НГА України.-1998.-№2.-С.8-10.

6. К вопросу о рациональной технологии выемки подводных россыпных полезных ископаемых/В.П. Франчук, Е.С. Запара, А.О. Бондаренко, А.П.Зіборов//Науковий вісник НГА України.-1999.-№6.-С.12-15.

7. Добыча строительных песков и других россыпных полезных ископаемых в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна по экологически щадящей технологии/А.П. Зіборов, В.Ю. Кухар, В.П. Франчук, Е.С. Запара, А.О.Бондаренко// Матеріали науково-технічної наради “Екологічні проблеми та особливості експлуатації берегових об'єктів морегосподарського комплексу України”. Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань.-1998.-№2.-С.45-46.

8. О рациональной схеме расположения добычных воронок при ямочной технологии разработки россыпних месторождений полезных ископаемых/ В.П. Франчук, Е.С. Запара, А.О. Бондаренко, А.П. Зіборов//Тез. докл. междунар. науч.-практич. конф. “Рациональному использованию земли и океана современную технику и технологии”.-Днепропетровск,1999.-С.32.

9. Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві: [1] - аналіз існуючих пристроїв для підводних розробок розсипних корисних копалин; [3] - розробка методики експериментальних досліджень, проведення експериментів, обробка отриманих даних; [4] - установлення аналітичного виразу для визначення довжини зони розмиву і одержання числових значень емпіричних коефіцієнтів; [5] - участь в експериментальному видобутку піску та обробці отриманих даних; [6] - установлення залежностей для визначення коефіцієнта виймання розсипної корисної копалини; [7] - аналіз досліджень розширення ресурсних можливостей за рахунок запасів піску Азово-Чорноморського басейну; [8] - порівняння двох технологічних схем підводного видобутку розсипної корисної копалини.

Размещено на Allbest.ru