автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Особенности гидротранспортирования полезного ископаемого в шарнирном трубопроводе положительной плавучести

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Актуальность разработки систем добычи донных отложений

1.1. Обоснование актуальности промышленной добычи подводных россыпных месторождений

1.2. Анализ доступных подводных месторождений

1.2.1. Железомарганцевые конкреции

1.2.2. Глубоководные илы

1.3. Обзорный анализ механизмов, используемых при подводных добычных работах

1.3.1. Классификация механизмов, применяемых при добычных работах

1.3.2. Механические добычные комплексы

1.3.3. Гидравлические и механогидравлические добычные устройства

1.4. Сравнительный анализ добычных систем и способов добычи Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Принципиальная схема комплекса для добычи донных отложений, ее теоретическое обоснование и описание технологии добычи

2.1. Анализ условий работы подводных добычных систем

2.2. Схема и описание рабочего цикла предлагаемого комплекса добычи донных отложений

2.3. Конструктивные особенности шарнирного трубопровода

2.4. Теоретические исследования формы шарнирного трубопровода Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования шарнирного трубопровода, как механической системы

3.1. Задачи экспериментальных исследований

3.2. Описание экспериментального стенда

3.3. Порядок проведения эксперимента

3.4. Обработка результатов эксперимента Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Исследования гидравлических сопротивлений в трубопроводе с криволинейной осью

4.1. Актуальность проведения исследований

4.2. Теоретические исследования потерь напора в трубопроводах

4.3. с осью малой кривизны

4.4. Задачи экспериментальных исследований

4.5. Описание экспериментального стенда

4.6. Порядок проведения эксперимента

4.7. Обработка опытных данных

4.8. Анализ результатов эксперимента Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. Методика расчета системы гидроподъема на основе шарнирного трубопровода

5.1. Цели, задачи и выбор исходных данных для расчета системы гидроподъема

5.2. Определение основных параметров гидротранспортирования

5.3. Определение потерь напора в шарнирном трубопроводе

5.4. Расчет величины заглубления подводного модуля

5.5. Пример расчета системы гидроподъема

5.5.1. Исходные данные

5.5.2. Расчет системы гидроподъема

Выводы по пятой главе 106 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

До последнего времени океан в основном рассматривался как глобальная естественная транспортная сеть и практически неисчерпаемый источник продуктов питания. Хотя эти аспекты использования океана отнюдь не потеряли своего значения, сегодня возник ещё один — использование ресурсов, содержащихся как в самой воде, так и на дне.

Интенсивное развитие промышленности неизменно сопровождается возрастающим потреблением минерального сырья, общемировой расход которого ежегодно увеличивается в среднем на 4,8%. При современном уровне развития горной промышленности разработка крупных и средних по величине сухопутных месторождений экономически выгоднее морской добычи, к тому же эксплуатация месторождений суши сопряжена с меньшим риском. Однако следует отметить, что основная масса легкодоступных материковых месторождений уже открыта, и подавляющую часть из них разрабатывают. Запасы некоторых видов сырья на суше быстро иссекают, причём в наибольшей степени это характерно для цветных металлов и радиоактивных элементов [59]. В то время как, темпы добычи полезных ископаемых на суше постепенно снижаются, потребность в них неуклонно растет.

В настоящее время более 30 стран мира ведут пробную или промышленную добычу полезных ископаемых морского дна. В ряде стран такие работы ведутся не один десяток лет и имеют весьма большой удельный вес в общем объеме добычных работ. Разработка подводных россыпей за рубежом дает до 100% циркония и рутила, около 70% ильменита и более 40% касситерита. По данным американских экономистов, морские россыпи уже в 1968 г. дали сырья на 50 млн. долл. Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье за счет разработки подводных месторождений [14].

Эти обстоятельства вызывают дополнительный интерес к ресурсам морского дна и совершенствованию средств их добычи. По мнению многих 6 исследователей среди многочисленных типов подводных месторождений наибольший интерес представляют скопления железомарганцевых конкреций и рудоносные пески и илы, как источник минерального сырья для цветной и черной металлургии [11].

Добыча твёрдых полезных ископаемых из россыпей дна морей пока незначительна: она оценивается во всём мире в 500 млн. долл. в год и составляет только 2% стоимости руд, добываемых на суше [59]. Между тем эта добыча не требует вскрышных работ, строительства отвалов, подъездных путей, нередко обеспечивает экономию на разведочных работах, т.е. в перспективе может стать достаточно эффективной.

В Советском Союзе общие запасы марганцевых руд составляли 2,6 млрд. т, в том числе запасы Никопольского марганцевого бассейна (Украина)— 2,16 млрд. т. Эти руды залегают в благоприятных горногеологических и климатических условиях, в легко доступной и густо населенной местности. При ежегодном извлечении в СССР около 13,2 млн. т марганцевых руд, в том числе 2/3 этого объема в Никопольском бассейне, запасы руд обеспечивали высокий уровень добычи в СССР на много лет, даже учитывая экспорт. Это обстоятельство объясняет существовавшую низкую заинтересованность промышленности СССР, по сравнению с крупнейшими промышленными странами, в добыче морских железомарганцевых конкреций.

С учетом того, что после распада СССР большее число месторождений руд цветных металлов оказалось за рубежом (Украина, Казахстан, Узбекистан, Туркмения, Таджикистан), в настоящее время ориентация на добычу марганцевого сырья с морского дна возможно является единственным перспективным направлением.

Известные на данный момент системы разработки подобных месторождений не могут считаться приемлемыми для российских условий, так как не в полной мере отвечают современным требованиям к надежности, производительности и экологической чистоте [60]. 7

Поэтому проблема создания комплекса, отвечающего всем вышеупомянутым требованиям, по-прежнему является актуальной научно-технической задачей.

Соответствие темы исследований государственным научным программам. Актуальность работ по созданию подводных добычных комплексов подтверждается Федеральной целевой программой «Мировой океан», одной из подпрограмм которой является «Создание технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океана» (Указ Президента РФ от 17 января 1997 г. №11).

Идея работы. Гидравлические сопротивления движению потока пульпы в вертикальном шарнирном трубопроводе положительной плавучести меняются в зависимости от кривизны оси трубопровода.

Цель работы. Установление формы шарнирного трубопровода и потерь напора при движении в нем потока пульпы для разработки методики расчета и оптимизации параметров системы гидротранспорта в процессе работы добычного комплекса.

Задачи исследования:

1. Обосновать схему гидроподъема донных отложений на основе шарнирного трубопровода положительной плавучести.

2. Произвести анализ всех возможных конфигураций пространственной формы шарнирного трубопровода положительной плавучести.

3. Установить зависимость потерь напора транспортируемой жидкости от формы трубопровода в пространстве.

4. Разработать методику инженерного расчета основных параметров гидротранспортной системы на основе шарнирного трубопровода положительной плавучести. 8

1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ДОБЫЧИ ДОННЫХ

ОТЛОЖЕНИЙ

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Трубопровод, составленный из шарнирно-сочлененных металлических труб, оснащенных поплавками, создающими незначительную положительную плавучесть, отвечает требованиям, предъявляемым к средствам гидроподъема входящим в состав комплексов для добычи донных отложений.

2. Конфигурация трубопровода, состоящего из шарнирно-сочлененных труб, оснащенных поплавками, в широком диапазоне положений, когда г / 5 выполняется условие Ь0{-, не подчиняется уравнению для

1,7 ^ 1,8 однородной нерастяжимой тяжелой нити вследствие наличия жестких несгибаемых элементов конечной длины.

3. Известные данные для расчета местных потерь напора при повороте потока включают лишь небольшой диапазон значений для колен, с отношением диаметра трубопровода к радиусу поворота колена от 2 до 10. Установлено, что потери напора имеют место и при больших по радиусу кривизны поворотах трубопровода с отношением — около 0,01. Я

4. Выведена эмпирическая зависимость потерь напора в трубопроводе от радиуса кривизны его оси Нп = /(/?) в диапазоне отношений

-=0,012^-0,062, который ранее не был исследован. К

5. Разработана методика инженерного расчета параметров гидроподъемного шарнирного трубопровода на основе сведений о конфигурации шарнирного трубопровода положительной плавучести и данных о потерях напора в трубопроводе с криволинейной осью, полученных в результате проведенных исследований.

108

1. АльтшульА.Д. Гидравлические сопротивления. -М: Стройиздат, 1973,- 264 с.

2. Альтшуль А.Д., Калицун В.И. Гидравлические сопротивления трубопроводов. -М: Издательство литературы по строительству, 1964,- 170 с.

3. Альтшуль Б.А., Фридман А.Л. Динамика траловой системы. -М: Агропромиздат, 1990, 240 с.

4. Арукюла Х.Х., Рейер А.Х. Основы теории инженерного экспериментирования в горном деле. Таллинн: ТПИ Кафедра горного дела, 1973, - 147 с.

5. Безруков П.Л. Распределение ЖМК на дне Индийского океана, М: Океанология, №6, 1962, - с. 112-116.

6. Бреслав Л.Б. Техникоэкономическое обоснование средств освоения Мирового океана, Л: Судостроение, 1982, - 240 с.

7. Бунич П.Г. Экономика Мирового океана: Ресурсы, их освоение, экология, право, М: Недра, 1977, - 208 с.

8. Бухарин С.Н. О точности аппроксимации гибкой нити конечномерной моделью.// Проблемы гидромеханики в освоении океана, Киев: Наукова думка, 1984,-31 с.

9. Валяев В.И. Приближенное моделирование динамики системы трос-тело в аэродинамической трубе.// Ученые записки ЦАГИ, т. VII, вып. 3, 1976, -с. 65-71.

10. Васильчиков Н.В. ЖМК дна океана сырье для получения кобальта, никеля, марганца, меди, 1968, - с. 56-59.

11. Величко Е.А., Контарь Е.А. ЖМК океана новый тип многометальных руд, - М: ВИЭМС, 1976, - 51 с.109

12. Величко Е.А., Контарь Е.А., Тареева O.K., За рудой в глубины океана, М: Недра, 1980, - 97 с.

13. Величко Е.А., Сокольская Е.М. Перспективы освоения твердых полезных ископаемых Мирового океана, М: ВИЭМС, 1984, - 58 с.

14. Величко Е.А., Сокольская Е.М., Освоение твердых полезных ископаемых в береговой зоне и на дне океанов и морей за рубежом, М: ВИЭМС, 1979, 55 с.

15. ВешторгВ.Э., Митрофанов В.П., ШеметоваН.М. Особенности управляемости плавучего добывающего комплекса.// Проблемы гидродинамики в освоении океана, Киев: Наукова думка, 1984, -с. 110, 111.

16. Воропаев A.A., Лукошков A.B. Техника и технология геологоразведочных работ,-М: 1987,-67 с.

17. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М: Физматлит, 1995, 872 с.

18. Гейер В.Г., Дулин B.C. Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод, — М: Недра, 1991,-331 с.

19. Гюльмисаров В.Р. Освоение твердых полезных ископаемых Мирового океана (проблемы, перспективы), — М:, 1986.

20. Длин A.M. Математическая статистика в технике. М: Советская наука, 1958, - 466 с.

21. Длин A.M. Факториальный анализ в производстве. -М: Статистика, 1975,- 328 с.

22. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины, М:, 1961,- 650 с.

23. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Кн 1. -М: Финансы и статистика, 1986, 366 с.

24. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Кн 2. -М: Финансы и статистика, 1986, 351 с.110

25. Железомарганцевые конкреции Мирового океана. Под ред. КазминаЮ.Д. -Л: Наука, 1984,- 171 с.

26. Иванов А.З., Крут Г.К., Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. -М: МЭИ, 1977, 79 с.

27. Контарь Г.М., Кузнецов Г.И. Опробование глубоководных месторождений Мирового океана.// Итоги науки и техники, т. XXV, М:, 1982, - с. 1-63.

28. Коробков В.А., Левин В.С. Подводная технология, Л:, 1981, - 237 с.

29. Кочин Н.Е. Об изгибе троса змейкового аэростата под действием ветра.// ПММ, т. X, вып. 1, 1946, с. 153-164.

30. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. М: Машгиз, 1962, - 220 с.

31. Кронер Д. Подводные минеральные месторождения. М: Мир, 1983, -391 с.

32. Крылов А.Н. О равновесии шаровой мины на течении.// Собрание трудов академика А.Н. Крылова, т. IX, ч. II, — МЛ: АН СССР, 1949, 313 с.

33. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов. — Л: Судостроение, 1980, 335 с.

34. Лаврентьев М.А., Шабот Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М: Наука, 1977, - 407 с.

35. ЛевиИ.И. Моделирование гидравлических явлений. Л: Энергия, 1967, - 367 с.

36. Лезгинцев Г.М. и др. Технико-экономическое обоснование добычи и переработки ЖМК Тихого океана, М: ВНИИПИгорцветмет, 1980, - 117 с.

37. Лезгинцев Г.М., Контарь Е.А., Кузнецов Г.И. Разработка глубоководных месторождений полезных ископаемых Мирового океана.// Итоги науки и техники, т. XIV, М:, 1976, - с. 268-331.

38. Ленский Э.В. Движение гибкой нити в идеальной жидкости.// Вестник МГИ, 1978,-с. 116-121.1.l

39. ЛобановB.A. Справочник по технике освоения шельфа. -Л: Судостроение, 1983, 288 с.

40. Марченко Д.В. Проектирование и расчеты систем заякорения плавучих объектов. Л:, 1977, - 42 с.

41. Математическая статистика. Под ред. Длина A.M., -М: Высшая школа, 1975, 398 с.

42. Маховиков Б.С. Комплексы оборудования для подводной разработки россыпей на шельфе.// Горный журнал №11, —СПб: СПГГИ, 1997, -с. 131-138.

43. Маховиков Б.С., Братчиков Н.В. Средства гидроподъема полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа.// Наука в СПГГИ вып. 3, СПб: СПГГИ, 1998, - с. 281-289.

44. Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити, М: Наука, 1980, - 240 с.

45. Меро Дж. Л. Минеральные ресурсы океана — М:, 1969.

46. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М: Недра, 1979, - 381 с.

47. ОлейникА.Я., Поддубный В.И., СалтановН.В. Исследование поведения гибких нитей в потоках на основе дискретной модели.// Докл. АН УССР, 1979,-с. 858-861.

48. ОлейникА.Я., СалтановН.В., ГорбаньВ.А. Задачи прикладной гидромеханики гибких нитей в потоках.// Прикладные задачи гидромеханики, Киев: Наукова думка, 1981, - с. 60-86.

49. Патрашев А.Н., Кивако Л.А., Гожий С.И. Прикладная гидромеханика. М: Воениздат, 1970, - 684 с.112

50. Поддубный В.И. и др. Динамика подводных буксируемых систем СПб: Судостроение, 1995, - 200 с.

51. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов. М: Наука, 1970, - 70 с.

52. Рощункин Д.В. Разработка грунтов землесосными снарядами. -М:, 1969,- 248 с.

53. Румшиский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. -М:, 1971,- 192 с.

54. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. -М: Высшая школа, 1973, 287 с.

55. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. -М: Наука, 1980,- 240 с.

56. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М: Наука, 1981,- 448 с.

57. Смирнов В.И. Курс высшей математики.// Учеб. для вузов, т.1, -М: Физматгиз, 1961,-441 с.

58. Смолдырев А.Е. Разработка месторождений твердых полезных ископаемых.// Итоги науки и техники, т. XXXIII, — М: 1986, с. 71-102.

59. Смолдырев А.Е. Транспорт конкреций с морских глубин.// Итоги науки и техники, т. XXXV М:, 1986, - с. 71-102.

60. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт, — М: Недра, 1980, 294 с.

61. Справочник по гидравлическим расчетам. Под. ред. Киселева П.Г. М: Энергия, 1972, - 312 с.

62. Спрингис К.Я. Морская геология и проблемы минерального сырья. -М: Знание, 1971,-48 с.

63. Старшина-Бисти Т.М. Кладовые дна Мирового океана. М:, 1980.

64. Технические средства для освоения минеральных ресурсов океана, —Л: Судостроение, 1972, 199 с.из

65. Технические средства для освоения Мирового океана. Под ред. Б.Ф. Токарева, М: МЭМ, 1978, - 116 с.

66. ШенкХ Теория инженерного эксперимента. -М: Высшая школа, 1985, -381 с.

67. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды. — М: Энергия, 1973, 270 е.

68. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М: Наука, 1974, 712 с.

69. Шнюков Е.Ф., Белодед P.M., Цемко В.П., Полезные ископаемые Мирового океана. — Киев: Наукова думка, 1979, 255 с.

70. Щедров B.C. Основы механики гибкой нити. М: Машгиз, 1961, - 280 с.