автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Обоснование параметров и расширение области применения безнапорного гидротранспорта в угольных шахтах

На правах рукописи

ЖУРАВЛЕВ Владимир Александрович

р Г •

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЗНАПОРНОГО ГИДРОТРАНСПОРТА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность: 05.15.11 - Физические процессы горного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово, 1997

Работа выполнена в Сибирской государственной горно-металлургической академии (СибГГМА)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Казаков С.П.

Научный консультант кандидат технических наук

Стефанюк Б.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Моисеев Л.Л.

кандидат технических наук Удовицкий В.И.

Ведущая организация: АООТ «Беловоуголь»

Защита диссертации состоится 199*Ьг. в

_ часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при

Институте угля СО РАН по адресу.

650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля СО РАН.

Автореферат разослан «<$ / » ОУ^^ъе^З. 199Ъг.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 650025, г. Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21, Институт угля СО РАН

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, профессор Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производственные процессы в гидрошахтах и на гидроучастках в значительной степени зависят от эффективности и надежности системы безнапорного гидротранспорта. Сейчас на каждые 1000 т добываемого угля в гидрошахтах расходуется 2.5-6.0 м желобчатого става для перемещения пульпы. Применяемые в настоящее время средства для безнапорного гидротранспорта обладают рядом существенных недостатков: допускают значительное число забучиваний -4-5 на 1000 т транспортируемого угля, имеют низкую износостойкость (4-12 мес.), приводят к увеличению на 25-30% доли частиц класса -0.5 мм. Необходимость обеспечения эффективной работы безнапорного гидротранспорта в настоящее время возросла в связи с использованием на отдельных участках и шахтах традиционной «сухой» технологии, работающих в сложных горно-геологических условиях, средств гидромеханизации, в особенности гидротранспорта. Это обусловлено тем, что безнапорный гидротранспорт сыпучих материалов (уголь, порода, песок и др.) является более простым, производительным, безопасным и экономичным по сравнению с другими видами транспорта. Несложное и быстрое наращивание става желобов, простота соединений между собой, удобство загрузки материалов и быстрое разбучивание става делают этот вид транспорта перспективным для шахт и локальных участков.

Гидротранспорт является связующим звеном между процессами отбойки и переработки угля и не должен их сдерживать. Кроме того, при транспортировании не должна существенно увеличиваться доля мелких классов угля, которая снижает его качество и, из-за слабой обезвоживаемости, способствует накоплению шламов в оборотной воде. Это предопределяет необходимость исследования и уточнения

закономерностей процесса и режимов движения угольной пульпы, увязки их характеристик с параметрами и конструкцией желобов, совершенствования методов расчета безнапорного транспорта. Решение указанных вопросов позволит расширить область применения безнапорного транспорта в угольных шахтах. Поэтому тема диссертации является актуальной.

Диссертационная работа связана с планами научных исследований институтов СибГГМА и ВНИИгидроуголь, выполненных в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы Минтопэнерго РФ «Уголь России» (проект 0-23) и Государственной научно-технической программы «Недра России» (тема 2.1.). а также договорными работами с шахтами Кузбасса.

Целью работы является расширение области применения и повышение эффективности безнапорного гидротранспорта в шахтах за счет совершенствования конструкции и параметров желобов, расчета и выбора режимов движения угольной пульпы.

Идея работы заключается в использовании связей закономерностей и режимов движения пульпы с параметрами открытого двухфазного потока и гидротрассы для обоснования рациональных условий безнапорного транспортирования угля в шахтах.

Задачи исследований:

установить связь критической скорости и транспортирующей способности двухфазного потока с максимальным размером перемещаемых кусков угля и параметрами гидротрассы;

выявить режимы движения пульпы;

обосновать критерии эффективности использования гидротранспортных желобов различного типа;

оптимизировать параметры и форму профиля желобов;

выявить закономерности износа желобов и разработать способы защиты их внутренней поверхности при транспортировании пульпы;

сравнить измельчаемосгь угля и риск забучивания гидротрасс с различными конструктивными параметрами;

усовершенствовать методы расчета и обосновать условия эффективного применения безнапорного гидротранспортирования угля. Методы исследований:

анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта гидротранспортирования твердых сыпучих материалов для качественной оценки факторов, определяющих его эффективность;

методы гидромеханики и теории вероятностей для установления закономерностей безнапорного транспортирования угольной пульпы, измельчения угля, износа и риска забучивания желобов;

методы оптимизации для определения рациональных параметров и формы профиля желобов;

шахтные наблюдения для оценки эксплуатационных характеристик гидротранспортных желобов;

математическое моделирование профиля гидротрасс и энергетических характеристик потока для обоснования условий применения гидротранспорта.

Научные положения, защищаемые автором:

режимы движения пульпы (гарантированное транспортирование частиц, транспортирование без отложений в осадок, с выпадением в осадок, аварийный режим) зависят от скорости потока, содержания твердого в пульпе, максимального размера кусков угля и уклона гидротрассы;

влияние профиля и параметров желобов на эффективность и надежность гидротранспортирования определяется геометрическими и

гидравлическими характеристиками: гидравлическим радиусом, кривизной поверхности желобов, коэффициентом трения, размерами и степенью затопленности кусков угля;

комплексный критерий эффективности транспортирования пульпы, учитывающий степень использования лобового сопротивления и глубины потока, его нестационарность и транспортирующую способность, позволяет определять оптимальный профиль и параметры желобов;

физические модели износа внутренней поверхности желобов, предложенные для условий транспортирования густых и жидких пульп, позволяют определить размер зон, нуждающихся в защите;

риск забучивания желобов может оцениваться двумя критериями: вероятностным, учитывающим возможность попадания в поток крупных кусков породы и угля или снижение его скорости ниже критической и физическим - базирующимся на анализе соотношения сил трения частиц о поверхность и сталкивания их потоком;

условный дополнительный уклон при транспортировании пульпы зависит от массового отношения твердой и жидкой фаз потока, уклона трассы и формы профиля желобов;

расширение области применения безнапорного гидротранспорта реализуется за счет уменьшения критического уклона гидротрассы, допуска вариации формы ее профиля и базируется на совершенствовании методов расчета и средств для перемещения пульпы.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

использованием классических методов гидромеханики для выявления закономерностей безнапорного гидротранспортирования двухкомпонектных смесей;

соответствием основных закономерностей транспортирования пульпы физическим законам и качественным представлениям о влиянии отдельных факторов на его эффективность;

незначительной погрешностью (+15%) результатов теоретических исследований по определению зоны износа желобов по сравнению с результатами шахтных наблюдений;

соответствием теоретических оценок и фактических данных по забучиванию гидротрассы (разброс не превышает +_20 %);

практикой эффективного применения желобов новых конструкций на гидрошахтах и гидроучастках Кузбасса. Научная новизна работы состоит:

в установлении связи критической скорости потока пульпы с геометрическими параметрами профиля желобов и максимальными размерами кусков угля;

в выявлении режимов движения пульпы в зависимости от скорости потока, размеров кусков угля и уклона гидротрассы;

в установлении аналитической связи транспортирующей способности потока с основными геометрическими и гидравлическими параметрами желобов и трассы, а также структурой перемещаемого материала;

в обосновании комплексного критерия эффективности безнапорного транспортирования угольной пульпы;

в определении оптимальных параметров и формы профиля желобов; в разработке физических моделей износа дна желобов и определении размеров зон, нуждающихся в защите;

в установлении связи риска забучивания гидротрассы с параметрами и формой профиля желобов;

в обосновании критического уклона допустимой вариации профиля и параметров гидротрасс.

Личный вклад автора состоит:

в обосновании критериев оценки эффективности безнапорного транспортирования угольной пульпы;

в разработке физических и математических моделей движения пульпы по желобам, их износа и забучивания гидротрассы; в оптимизации параметров и формы профиля желобов; в обосновании возможности расширения области применения гидротранспорта на шахтах;

в разработке конструкции и технологии производства желобов и оснастки;

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

использовать установленные закономерности процесса безнапорного гидротранспортирования пульпы для совершенствования методов расчета параметров гидротрасс;

расширить область применения безнапорного гидротранспорта на выработки с малым уклоном и вариацией формы профиля;

повысить надежность транспортирования пульпы за счет снижения риска забучивания;

снизить интенсивность образования мелких классов угля при гидротранспортировании;

увеличить срок эксплуатации желобов, исключив необходимость их полной замены из-за износа;

Реализация работы. Закономерности безнапорного транспортирования пульпы используются институтом ВНИИгидроуголь

при разработке технических проектов гидроучастков и в учебном процессе на кафедре РПМ СибГГМА при курсовом и дипломном проектировании.

Желоба новой конструкции применяются на шахтах Кузбасса и объем их внедрения составляет более 2-х тыс. м. в год.

Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на: технических советах шахт АОУК «Прокопьевскуголь», «Кузнецкуголь», АООТ «Беловоуголь» (1994-1997 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции по развитию гидравлической технологии добычи угля (г. Новокузнецк, 1992 г.), научном семинаре кафедры РПМ СибГТМА (г. Новокузнецк, 1997 г.), секциях Ученого Совета ВНИИгидроуголь (1993-1995 гг.), 3-й Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1996 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ, получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 127 стр., в том числе: 20 рис., 12 табл., список литературы из 90 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Безнапорный гидротранспорт сыпучих материалов (уголь, порода, песок и др.) является наиболее простым, производительным и безопасным по сравнению с другими видами транспорта материалов, имеющих большую, чем у воды плотность.

Изучением и совершенствованием безнапорного гидротранспорта в шахтах и на промышленных предприятиях занимались ряд отечественных и зарубежных ученых и специалистов: B.C. Мучник, А.И. Куприн,

s

A.A. Атрушкевич, E.A. Бонк, Э.Б. Голланд, Л.П. Гуляев, A.A. Ищенко, С.П. Казаков, К.П. Кривобок, М.П. Маркус, В.Н. Малышев, Г.А. Нурок, Б.П. Синюков, Б.М. Стефанюк, Г.Т. Тютиков, С.С. Шавловский и др. Ими разработаны методы расчета параметров гидротрассы, определены критическая скорость и транспортирующая способность потока, созданы и внедрены на шахтах и предприятиях желоба различных конструкций.

Теория и опыт использования безнапорного гидротранспорта указывает на ряд «узких мест», развязка которых необходима для повышения его эффективности и надежности, расширения области применения и совершенствования методов расчета. В первую очередь, к ним относятся определение рациональных параметров и формы профиля желобов, при которых снижаются объемы измельчения угля, риск забучивания и повышается их износостойкость, а также совершенствование методов расчета, обеспечивающих возможность расширения области применения гидротранспорта.

При проектировании безнапорного гидротранспорта к его параметрам следует предъявлять ряд требований в зависимости от производительности горно-выемочных машин, уклонов выработок, крупности, формы и плотности транспортируемого материала. Основными из являются следующие:

1) площадь поперечного сечения желобов должна обеспечивать пропуск пульпы, не переполняя става;

2) форма поперечного сечения желоба не должна допускать его забучивания при попадании в поток крупных кусков породы и угля, посторонних предметов и расклинивания более мелкими кусками, а также при частичном снижении расхода воды;

3) кинетическая энергия и распределение скоростей потока по сечению должны обеспечивать перемещение достаточно крупных кусков угля (200-300 мм) при высокой транспортирующей способности потока;

4) истирание транспортируемого материала должно быть сведено до минимума, чтобы снизить долю мелких классов угля;

5) износ желоба должен быть незначительным и равномерно распределенным в его дойной части.

Эти требования дают возможность дать предварительную оценку формы поперечного сечения и конструкции желобов. Качественный анализ требований и предварительные исследования показали, что:

поперечное сечение целесообразно иметь U-образного профиля, который наиболее благоприятен для выполнения требований 1-3;

внутренняя поверхность желоба должна быть гладкой, что способствует выполнению требования 4; нецелесообразно укреплять ее поверхность продольными или поперечными элементами, которые приводят к повышенному истиранию транспортируемого материала;

предотвращение износа (требование 5) целесообразно реализовать путем установки сменного вкладыша на дне желоба.

Для количественного обоснования параметров гидротрассы и желобов необходимо исследовать и уточнить физические закономерности транспортирования двухфазных сред.

Основное соотношение, которое определяет условия использования безнапорного гидротранспорта, было экспериментально получено B.C. Мучником, связывает скорость потока пульпы с гидравлическим радиусом желобов, уклоном гидротрассы и имеет вид

где V - скорость потока пульпы; С - коэффициент Шези; Rg - гидравлический радиус желоба; i - уклон гидротрассы; Ai - условный «дополнительный» уклон гидротрассы, необходимый для учета потерь энергии, связанных с наличием твердых частиц в потоке. По B.C. Мучнику Ai принимается равным 0.012.

Как известно, формула Шези «работает» в условиях транспортирования однородных жидкостей в открытом потоке. В общем случае, при транспортировании двухфазных сред, величина Ai является сложной функцией отношения Т : Ж, плотности твердой и жидкой фаз, коэффициента трения скольжения, уклона трассы, формы и параметров профиля желобов. В свою очередь, скорость пульпы определяет режим ее движения (гарантированное транспортирование, транспортирование с выпадением в осадок и др.).

Для учета этих факторов необходимо изучение комплекса вопросов, связанных с выявлением режимов и критических скоростей движения двухфазных сред, определением влияния формы и параметров профиля желобов на транспортирующую способность потока, оценкой риска забучивания, изучением закономерностей износа транспортного канала и совершенствования методов расчета параметров гидротрасс.

Проведенный анализ состояния изученности вопроса позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Известно, что транспортирование частиц в пульпе обеспечивается за счет передачи им энергии потока. На каждую из частиц действуют силы скольжения, трения и лобового напора. Их увязка приводит к формуле, определяющей критическую (при которой начинается движение пульпы) скорость потока У кр (м/с)

кр

' ^ тах (И п - ')( Р у - К з Р ь

(2)

где р у, р ^ - плотность твердой и жидкой фаз (угля и воды); с1тах -

максимальный диаметр кусков; ц - ускорение свободного падения; (гп -коэффициент трения покоя; 1 - уклон трассы; С| - коэффициент лобового сопротивления; К3 - коэффициент затопленности кусков максимального диаметра, 0 < К3 < 1.

От полученных ранее зависимостей формула (2) отличается учетом влияния на критическую скорость двух параметров с!тах и К3. Зависимость '^'Кр(<1гпах) при уклоне трассы 1 = 0.05 представлена на рис.1.

г.5 2.0 15 4.0 0.5

ч/ ___

Рис.1. Занасимооть 1Гкр (¿тах);

1 - при полной; .

2 - при половинной затопленности кусков максимального диаметра

ал

о.г

0.3 (1,тах,М

При подстановке в формулу (2) вместо цп коэффициентов трения скольжения|лс и качения цк получаем, соответственно: для цп -

незаиливающую скорость; цс - неразмывающую донные осадки; цк -заиливающую, которым соответствуют различные режимы движения пульпы (табл. 1).

Таблица 1.

Режимы движения пульпы

Скорость потока Режим Характеристика

У>Укр(цп) 1 Гарантированное транспортирование со смывом донных осадков и отложений

Укр(цс)<У<Укр(^п) 2 Транспортирование без отложений в осадок и без смыва донных отложений

Укр(^к)<У<Укр(цс) 3 Транспортирование с выпадением в осадок - начало донных отложений

У<Укр(цк) 4 Режим интенсивных донных отложений - забучивание трассы

Одной из наиболее важных характеристик потока является его транспортирующая способность £тах (максимальное массовое отношение Т : Ж, при котором возможно гарантированное транспортирование пульпы). На основе уравнения энергетического баланса и формулы Шези установлено, что

сшах " 2§с1тах (ру-рь)(|1сЧ) о)

где К л - коэффициент использования лобового напора потока; Г) - КПД передачи энергии потока твердому.

Расчеты, проведенные по формуле (3) показывают, что при замене желобов трапециевидного (прямоугольного) профиля на параболический, транспортирующая способность потока увеличивается в 1.3-1.5 раза за счет увеличения коэффициентов Кл, С и гидравлического радиуса Rg.

Анализ формул (2), (3) и проведенные исследования позволяют выявить основные факторы, от которых зависят транспортные возможности потока пульпы. Это - консистенция пульпы, максимальный диаметр кусков угля, глубина потока, гидравлический радиус желобов, шероховатость поверхности и уклон трассы. Для сравнительной оценки влияния формы профиля желобов на эффективность гидротранспортирования пульпы введены частные безразмерные критерии: К ^ - коэффициент гидравлического радиуса; Кл - коэффициент

использования лобового напора; К^- коэффициент высоты профиля; Ке- коэффициент максимальной транспортной способности; Ког- коэффициент остаточной глубины потока. Базовыми приняты параметры желоба, имеющего профиль в виде полуокружности.

За комплексный критерий оценки эффективности транспортирования пульпы можно принять произведение частных критериев

К0 =КККЛ КнКеКог, (4)

Этот и частные критерии могут быть использованы для оптимизации параметров и формы профиля желобов.

Для каждой формы профиля существует соотношение параметров (высоты h и ширины Ь), при которых гидравлический радиус принимает максимальное значение. Эти соотношения вычислены для желобов различного профиля. Задача оптимизации ставилась как нахождение отношений h/b, для которых

Rg= Sjjp/П -> max при S Пр = const, (5)

где П - смоченный периметр желоба; Snp- площадь его сечения.

Оптимальные значения гидравлических радиусов желобов позволяют для каждой формы профиля определить наивыгоднейшее отношение высоты к ширине желоба. Для полукруглого профиля оно составляет 0.5, для прямоугольного - 0.443, для параболического - 0.486.

Расчеты и результаты оценки обобщенных критериев эффективности транспортирования пульпы сведены в табл.2.

Таблица 2.

Значения критериев эффективности транспортирования пульпы

по желобам различной формы профиля

Форма профиля желоба I эфе критерии эективности

KR кл КН Ког Обобщающий, К о

Полукруглая 1 1 1 1 1 1

Прямоугольная 0.88 0.78 0.87 0.54 0.85 0.28

Параболическая 0.97 1.14 1.07 1.08 1.07 1.38

Как следует из табл. 2, оптимальной формой профиля желоба из рассматриваемых, является параболическая при отношении высоты к ширине рабочей части 0.485 : 1. Желоб с таким профилем по комплексному критерию в 1.4-4.9 раза эффективнее для транспортирования пульпы, чем желоба других профилей.

Для обеспечения стабильной работы гидроучастков и гидрошахт нового уровня (с подземным водоснабжением, обезвоживанием угля и осветлением технологической воды) необходимо до минимума снизить образование шлама, накапливающегося в оборотной воде и

препятствующего нормальной работе гидроучастка. Гидротранспорт является одной из причин истирания частиц и разрушения угля. Измельчение происходит: при их соударении (а), трении между собой (б), соударении частиц и желоба (в), трении между частицами и желобом (г). Исследованиями установлено, что первыми двумя причинами по сравнению с двумя другими можно пренебречь. Массы образующихся при этом мелких частиц зависят от параметров потока и профиля желоба.

В работе показано, что относительная измельчаемость угля в зависимости от параметров и формы профиля желобов может быть представлена в аналитическом виде

к. =

к . .+(1+у'2Га5 & }

« ^1+(1+у;2)-0-5- <6>

где Б-- отношение масс угля, измельчаемого до диаметра -0.5 мм при транспортировании по желобу .¡-го профиля в сравнении с 1-м; у -

I

вертикальная координата профиля желоба; у - ее производная.

Для 1 - параболического, ] - прямоугольного (трапециевидного) профилей получено значение К = 1.16. Его корректировка с учетом армированности дна ранее используемых желобов типа ЖН дает Р = 2.22.9. Таким образом, по условиям снижения измельчаемости угля оптимальным является желоб [/-образного профиля в форме параболы.

Износ корпуса желоба влияет на срок его службы и определяет величину эксплуатационных затрат на поддержание гидротрассы в рабочем состоянии. Характер износа (неравномерность по профилю) определяется непосредственно силой трения. Эффективным способом защиты желоба от износа является расположение в его донной части вкладыша, имеющего конгруэнтную форму (предложение

ВНИИгидроугля). Периодическая замена вкладышей позволяет обходиться без демонтажа гидротрассы и оправдана экономически. Для реализации такого способа необходимо установить размеры вкладыша, то есть выяснить, какую зону донной части желоба необходимо перекрывать (защищать).

Нами предложено 2 модели движения твердых частиц и износа желоба: для густых (Т : Ж > 1 : 3) и для жидких пульп. Согласно первой модели транспортирование угля осуществляется компактно в основном в придонной части по прямолинейным траекториям; по второй модели -частицы перекатываются по дну в затухающем колебательном режиме.

В результате аналитических исследований определены размеры защищаемой зоны (рис.2). Ее ширина определяется по формуле

Ь* = _ ^ _ ^

где ц - КПД передачи энергии от потока к частицам.

*

=(0.5 т 0.7)-6

»ение и параметры защитного сменного вкладыша в аелобе:

Рис.2. Располо-

1 - гселоб;

2 - вкладыш;

3 - крепление

о — х Г 4

При выборе параметров и формы профиля желобов важно оценить их влияние на риск забучивания гидротрассы. Для этого использовалось 2 подхода: вероятностный и физический. Рассматривались две причины забучивания: из-за снижения расхода воды ( скорости потока) до значений, соответствующих 3-му режиму движения пульпы (табл.1) и из-за попадания в поток крупных (негабаритных) кусков угля.

При вероятностном подходе относительное снижение риска забучивания с переходом от желобов ¡-ой формы профиля к желобам

]-ой формы определялось по формулам

где Р - вероятность; сЗ^ - диаметр кусков угля забучивающих желоба 1-ой формы профиля; и . - критическая скорость потока для 3-го

режима движения пульпы.

В результате расчетов установлено, что применение желобов параболической формы профиля уменьшает вероятность забучивания гидротрассы в 2.5-5.0 раз.

При физическом подходе мерой риска забучивания принято отношение сил трения кусков о поверхность желоба к силам сталкивания, если оно меньше 1.

В результате проведенных исследований установлена зависимость риска забучивания от основных параметров гидротрассы. Расчеты показали, что забучивание трассы с большой (0.99) вероятностью возможно при превышении габарита твердого более чем на 25% высоты

(8)

желоба. Аналогичная ситуация складывается при снижении высоты потока на 20%. При одинаковых параметрах потока значение коэффициента Qij составляет 2.7-3.1 для желобов трапециевидного и прямоугольного профилей по отношению к параболическому.

С участием автора в экспериментальном цехе института ВНИИгидроуголь разработан комплекс оборудования (2 гидравлических пресса) для полупромышленного производства желобов. Процесс производства состоит в следующем. Две совмещенные заготовки для желоба и вкладыша размещаются в прессе и прессуются для придания им параболической формы. Корпус желоба перемещается на другую прессующую установку, где происходит оформление его верхней кромки. К внутренней поверхности желоба привариваются прутки и стопор (предложено O.A. Атрушкевичем), к наружной поверхности - опоры для обеспечения устойчивости желоба на почве и удобства монтажа.

Шахтные наблюдения по оценке эксплуатационных характеристик новых желобов были проведены на ш. «Инская» АООТ «Беловоуголь». Под периодический прямой и косвенный контроль были поставлены по 500 м желобов типа ЖН (с армированным дном) и параболических желобов, работающих в одинаковых условиях. Продолжительность наблюдений составляла 3 месяца. За это г период желоба находились в работе 700-800 км/час. В первом и во втором случаях по гидротрассам было транспортировано более 150 тыс. т горной массы. Для желобов обоих типов были собраны следующие данные: о числе забучиваний, их причинах, числе замен желобов и их причинах, износу.

Проведенные наблюдения показали, что в реальных условиях риск забучивания гидротрассы при использовании параболических желобов составляет 2-2.5 на 1000 т' км транспортируемой горной массы против 6-7 для желобов типа ЖН. Износ вкладышей за 3 месяца не превышал 0.5-1.0

мм. Небольшая масса новых желобов -38 кг против 42-57 кг для желобов типа ЖН, удобные устройства стыковки и установки делают гидротрассу быстро монтируемой и демонтируемой, а наличие быстросъемных вкладышей резко повышает ее ремонтопригодность.

Расчеты, проведенные по методике, учитывающей условия рыночных отношений, показали, что новые желоба экономически выгодны как производителю, так и потребителю. В частности, эффект потребителя (шахты) составляет более 150 руб./т, в ценах 1991 г.; при этом, за счет улучшения гранулометрического состава угля, обеспечивается рост его оптовой цены на 6-8 %.

Для совершенствования методики проектирования системы безнапорного гидротранспорта были проведены исследования по уточнению формулы (1) B.C. Мучника для определения скорости движения пульпы. Установлена связь величины Ai с параметрами потока и гидротрассы

Зависимость Ai ( 8m, i ) представлена на рис. 3. Заметим, что по

методике B.C. Мучника дополнительный уклон Ai принимался равным 0.012, что допустимо, по нашим расчетам для достаточно жидких пульп (Т : Ж < 0.15-0.20) и уклоне трассы до 0.06.

Учет различий в значениях С, Rg и Ai для желобов ЖН и

параболической формы профиля показывает, что использование последних позволяет уменьшить уклон гидротрассы с 0.06-0.08 до 0.04 без снижения гарантии транспортирования пульпы в режиме V > Укр (цп)

где £т

массовое отношение Т : Ж.

(табл. 1). Это существенно расширяет область применения безнапорного гидротранспорта.

Далее исследовался вопрос о возможности допуска горизонтальных участков профиля гидротрассы при использовании и-образных желобов. На основе расчета потерь кинетической энергии потока на горизонтальных

участках и последующего разгона пульпы установлено, что при 8т = 0.20.33 на горизонтальных участках трассы длиной, соответственно, 30 и 20 м скорость потока не уменьшится до критической, соответствующей режиму 2 (табл. 1). Длина разгонного участка при этом должна в 1.4-1.5 раза превышать длину горизонтального. Таким образом, гидротрасса допускает ступенчатый профиль, имеющий до 40 % горизонтальных участков. Это расширяет область применения гидротранспорта на пластах с невыдержанной гипсометрией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи расчета и выбора режимов движения

пульпы, обоснования параметров и конструкций желобов, имеющей существенное значение для расширения области применения безнапорного гидротранспорта угля в шахтах.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем.

1. Дано математическое описание условий транспортирования твердых частиц в потоке пульпы в зависимости от их максимального диаметра, уклона трассы и степени затопленности кусков. Определена критическая скорость потока, при которой начинается перемещение угля вдоль желоба. Выявлены 4 основных режима движения пульпы: гарантированное транспортирование твердых частиц, транспортирование без отложений в осадок, с выпадением частиц в осадок, режим интенсивных донных отложений. Им соответствуют сдвигающая, неразмывающая, заиливающая и аварийная скорости потока. Наиболее «сильно влияющим» фактором является затопленность кусков угля: при половинной затопленности критическая скорость потока должна возрастать в 2.2 раза. При увеличении максимального диаметра кусков критическая скорость возрастает в степени 0.5.

2. Установлены основные факторы, определяющие влияние параметров и конструкций желобов на эффективность и надежность безнапорного транспортирования угля; к ним относятся: гидравлический радиус желоба, степень использования лобового напора потока, трение частиц о поверхность желоба, высота потока, максимальный размер кусков транспортируемого угля, кривизна донной и боковой поверхности.

3. Обоснованы частные и введен обобщающий показатель транспортной эффективности потока, который отражает влияние формы профиля желоба через гидравлический радиус, степень использования лобового напора и высоту потока. Найдены оптимальные параметры

желобов различного профиля. Показано, что желоба U-образного профиля по сравнению с прямоугольными и трапециевидными могут транспортировать куски угля на 12-22% большего диаметра. Предложена оптимальная конструкция желоба, которая должна иметь профиль в виде параболы с соотношением высоты к ширине 0.485 : 1.0

4. Установлено, что относительная измельчаемость угля до класса -0.5 мм в желобах прямоугольного (трапециевидного) профиля будет на 20 % выше, а в желобах с наплавленными продольными валиками -в 2.4-3.2 раза больше, чем в U-образных.

5. Предложены физические модели износа желоба при транспортировании густых (Т : Ж < 1 : 3) и жидких пульп. В первом случае износ происходит за счет преимущественно придонной транспортировки, во втором - за счет перекатывания частиц в затухающем колебательном режиме. Для защиты донной части от износа предложено использовать сменные вкладыши конгруэнтной формы, перекрывающие от 25 до 50 % поверхности желоба в зависимости от консистенции транспортируемой пульпы.

6. Предложены два метода оценки риска забучивания става желобов: вероятностный и физический, основанный на оценке соотношения сил трения частиц о поверхность и сталкивания их потоком. Оба метода дали близкие результаты и показали, что риск забучивания из-за попадания в поток негабаритов и снижения расхода воды для U-образных желобов в 2.5-3.1 раза меньше, чем для прямоугольных (трапециевидных). Установлено, что забучивание трассы с большой вероятностью (до 99 %) возможно при превышении габаритов кусков угля высоты желоба более, чем на 25 % или снижении высоты потока на 20 %.

7. Найдена зависимость условного дополнительного уклона гидротрассы Ai , введенного B.C. Мучником для расчета скорости потока

пульпы, от ее консистенции, гидравлического радиуса желобов, уклона выработки, диаметра и плотности твердых частиц. Обоснована необходимость корректировки формулы B.C. Мучника при Т : Ж > 0.2 и уклоне трассы до 0,06 при использовании желобов U-образного профиля.

8. Обоснована возможность расширения области применения безнапорного гидротранспорта при использовании желобов U-образного профиля, имеющих оптимальное сечение, кривизну и гладкую поверхность. Их применение позволяет уменьшить уклон гидротрассы с 0.06-0.08 до 0.04 без снижения гарантии транспортирования; допускается наличие до 40 % горизонтальных участков трассы при условии, что их протяженность составляет 20-30 м (в зависимости от отношения Т : Ж), а длина разгонных участков в 1.4-1.5 раза больше длины горизонтальных.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора.

Статьи в отечественных изданиях:

1. Атрушкевич В.А., Журавлев В. А. Новые желоба для безнапорного гидротранспорта угля // Уголь. - 1993. - №2 - С. 23-24.

2. Журавлев В.А. Современные представления о физических основах безнапорного гидротранспорта // Разд. 1.2 в кн. «Гидротранспорт угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. -М.: МГУК, 1994. - С. 11-16.

3. Журавлев В.А. Оптимизация параметров и формы профиля желобов // Разд. 1.6 в кн. «Гидротранспорт угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. - М.: МГУК, 1994. -С. 28-34.

4. Журавлев В.А., Целлермаер Б.Я. Физическая и эвристическая модели измельчения угля при безнапорном транспортировании // Разд. 1.7

в кн. «Гидротранспорт угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. - М.: МГУК, 1994. - С. 34-40.

5. Журавлев В.А., Атрушкевич O.A. Закономерности износа желобов и их защита // Разд. 1.8 в кн. «Гидротранспорт угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. - М.: МГУК, 1994. -С. 40-46.

6. Журавлев В.А., Атрушкевич O.A. Вопросы производства желобов для безнапорного гидротранспорта // Разд. 1.9 в кн. «Гидротранспорт в угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. -М., : МГУК, 1994. - С. 52-58.

7. Митенев В.П., Журавлев В.А. Методика оценки экономической эффективности разработок и эксплуатации желобов нового типа // Разд. 1.12 в кн. «Гидротранспорт в угольных шахт» / A.A. Атрушкевич, С.П. Казаков, Б.М. Стефанюк и др. -М.: МГУК, 1994. -С. 62-65.

Тезисы доклада в материалах Международной конференции:

8. Журавлев В.А. Внедрение параболических желобов для повышения эффективности безнапорного гидротранспорта на шахтах Кузбасса // Тез. докл. на Междунар. научно-практ. конф. «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» - Новокузнецк: СибГГМА, 1996. - С. 115-116.

Патент:

9. Патент РФ №2058257. Желоб для транспортирования пульпы / A.A. Атрушкевич, Б.П. Одиноков, В.А. Журавлев и др.

Проспект:

10. Желоб параболической формы со сменным вкладышем ЖВП // Проспект / A.A. Атрушкевич, В.А. Журавлев, В.А. Атрушкевич и др. -Новокузнецк : ВНИИгидроуголь, 1994. - 4 с.