автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка энерго- и водосберегающих карьерных вскрышных гидромониторно-землесосных комплексов

РГб ОА

1 5 ДЕК Шь

На правах рукописи ШЕЛОГЛНОВ Владимир Иванович

УДК 622.022.01 :621.2

РАЗРАБОТКА ЗНЕРГО-И ВОДОСБЕРЕГАЮЩИХ КАРЬЕРНЫХ ЮКРЫШНЫХ ГИДРОМОНИТОРНО-ЗЕМЛЕСОСНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена ® Московском государственном горном университете.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, шраф. ПОДЭРНИ Р. Ю., докт. техн. наук, проф., КАШ ПАР Л. Н., докт. техн. наук, проф. КУЛЕШОВ А. А.

Ведущее /предприятие —АООТ «КАТЭКНИИуголь».

в . . . ________.......... диссертационного совета

Д-053.1:2.04 Московского государственного горного университета :по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией ,можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного торного университета.

» ^ 1996

г.

Автореферат разослан « »

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -

канд. техн. наук, .проф. ШЕШКО Е. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Карьерные гидромониторно-земле-сосные комплексы широко применяются в горнодобывающей промышленности при производстве вскрьлнньи работ по наносам на угольных, железорудных карьерах и на 'карьерах цветных ¡металлов; в промьнпленности нерудных строительных материалов как при производстве вскрышных работ, так и при добыче .полезных ископаемых; в гидротехническом строительстве для разработки грунтов при намыве земляные сооружений и площадей для 'нромыаиленного строительства.

Только на угольных разрезах Кузнецкого бассейна этим способом разработано свыше 350 млн. м3 пород, вскрыши, а перспективные объемы, которые можно разрабатывать с помощью гидромониторно-землесосных комплексов, составляют около 6 >млрд. ,м3.

Широкий спектр 'применения гидромониторно-землесосных комплексов обусловлен такими -присущими этому виду комплексной ¡механизации достоинствами, как: поточность выполнения технологических процессов; ¡простота конструкций, небольшие массы, и габариты, высокая надежность работы машин и аппаратов, входящих в их состав; высокая производительность труда; относительно небольшие капитальные затраты и себестоимость производства горных работ; возможность намыва качественных зем-ляньк сооружений; экологическая чистота и безопасность производственных процессов.

В то же время расширение области применения этого перспективного способа комплексной /механизации открытый горных работ одерживается ряцом отрицательных факторов, основными из которых являются большие энергоемкость и расход воды в производственном процессе.

Та1«, например, установленная мощность электродвигателей гидромониторно-землесосных комплексов разрезов Кузнецкого угольного бассейна составляет 15...25 тыс. кВт, а расход электроэнергии — 10... 15 кВт-ч на 1 м3 разрабатываемой породы. При этом расход электроэнергии занимает до 60% в структуре себестоимости.

В соответствии с норма-ми технологического проектирования расход воды на гидромониторную разработку 1 >м3 пород гру)ш1 трудности от 4 до 6 составляет 1... 14 м3. Это приводит не только к большим затратам электроэнергии на перемещение в замкнутом цикле тидромониторно-замлесоеного комплекса такого количества воды, но и требует значительные площадей для размещения гидроотвалов..

Учитывая масштабы использования и перспективы расширения области применения гидромониторно-зе^млесооньгх ¡комплексов, снижение энергозатрат и водопотребления три их использовании, а также разработка способов 'повышения их производительности без ¡увеличения расхода воды в производственном процессе является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

Работа выполнялась в рамках отраслевой научно-технической программы Минупл-еирома СССР ЦКОП-1 «Создать и осуществить широкое внедрение новых (усовершенствован-ны'х) технологических процессов, ¡комплексов горнотранспортного оборудования и методов организации производства, обеспечивающих повышение >в 1990 г. технического ¡уровня открытых горньпх работ и производительности труда на разрезах в 1,3 раза по сравнению с 1984 т.» (тема 1001006200 «Обоснование и разработка ресурсосберегающих комплексов горного оборудования для гидромеханизации открытых горные работ на разрезах»), а также по теме 1000113000 «Разработать технические предложения по технологии и организации тидровскрьмнньгх работ для перспективных и осваиваемых разрезов отрасли», входящей в тематический план важнейших научно-исследовательских работ, утвержденный решением НТС Мннистрества угольной промышленности СССР от 17.10.79 г.

Цель работы. Установление и анализ зависимостей энерго- и !водозатрат от физико-механических свойств разрабатываемы* пород и условий эксплуатации оборудования, обоснование направлений их снижения, разработка структуры и определение рациональны-х параметров энерго- и водосбере-гающих вскрышных >гидромониторно-землесосн>Ы'Х комплексов.

Идея работы. Применение комплексного энергетического анализа для- обоснования направления создания энерго- и во-досберегающих гидрс(мониторно-землесосны;Х комплексов и использование зумтфа -гидротранспортной установки для сгущения гидросмеси и получения дополнительной воды на гидромониторный размьщ при разработке их структуры, что обеспечивает повышение концентрации твердого в транспортируемой гидросмеси и, как следствие, снижение удельных энергозатрат и водопотребления при разработке вскрышных пород па карьерах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективность 'преобразования энергии в гидротранспортной установке целесообразно оценивать коэффициентом ее полезного использования (КПИЭ), представляющим собой отношение энергии (мощности), используемой на перемещение твердого материала, к суммарному ¡количеству энергии ('мощности), передашшму гидротранспортной системе.

2. Зависимости ¡удельных энергозатрат на разработку вскрышных пород гидромониторно-землесосными 'комплексами с внутризабойиой насосно-гндромониторной установкой от концентрации твердого в гидросмеси и от соотношения подач внутризабойной и основной насосных станций водоснабжения, позволяющие определить рациональные параметры для выбора оборудования.

3. Обобщенная зависимость сопротивления внешней сети гидротранспортной установки от расхода гидросмеси, физико-механических свойств твердого материала и условий эксплуатации, позволяющая' рассчитывать характеристики .внешних сетей грунтовых насосов.

4. Зависимость обобщенного коэффициента сопротивления гидромонитора от диа'метра насадки 'при работе на чистой воде и на тонкодисперсной гидросмеси плотностью до 1060 кг/м3.

5. Математическая модель эксплуатационного расчета на-сосно-гидромониторных установок, учитывающая напорную характеристику гидромонитора и позволяющая определять режим работы насосов и гидромониторов как графоаналитическим способом, так и аналитически.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании широкого диапазона научньп.х 'методов исследований, выключающих аналитические исследования с использованием основополагающих /положений механики, гидравлики, гидротранспорта и теории насосов, научное обобщение, экспериментальные исследования на стендах и в промышленных условиям с применением современной измерительной аппаратуры. Опытно-промышленные испытания >в производственны* условиях подтверждают результаты исследований. Точность экоперимен-тальны.х исследований при доверительной вероятности 0,9 составляла 87...92%.

Научная новизна. Для энергетического анализа гидротранспортных установок разработан показатель эффективности преобразования энергии (коэффициент полезного использования энергии), позволяющий определить возможные направления снижения энергозатрат при гидротранспорте.

Установлена обобщенная зависимость для определения сопротивления 'внешней сети гидротранспортной установки, основанная на научном обобщении существующих теорий и ме-

тодов расчета ¡параметров гидротранспорта и позволяющая рассчитывать характеристики внешних сетей для любых условий эксплуатации и транспортируемых вскрышных пород.

Установлены зависимости для расчета напорных характеристик гидромониторов при работе на чистой и частично осветленной воде.

Разработала математическая модель эксплуатационного, расчета насосно-гидромониторных установок, учитывающая напорную характеристику гидромонитора и позволяющая определять режим его работы как графоаналитическим способом, так и аналитически.

Научное значение работы состоит в разработке ¡метода энергетического анализа гидротранспортнЫ'Х установок с ¡помощью предлагаемого коэффициента полезного использования энергии, позволяющего обосновать направления энергосбережения, а та^же в установлении обобщенных зависимостей сопротивления внешних сетей гидротранспортных и на-сосно-гидромониторнЫ'Х установок, основанных на научном обобщении существующих теорий и (Методов расчета и результатах 'промышленных экспериментальных исследований, что является вкладом в развитие теории насосных установок г 11 д р о м ех а н из а ци и.

Практическое значение работы состоит в разработке энерго- и ¡водосберегающего гидро:мониторно-землесосного комплекса с дополнительной внутризабойной установкой водоснабжения гидромониторов, позволяющего снизить удельные энергозатраты на гидромехапизироеанную разработку грунтов на 15...45% и расход воды «в 1,8...2,6 раза, а также в разработке (методик расчета внешних сетей гидротранспортнььх и насос-но-тидромониторных установок и анализа режимов работы груптовььх насосов на кавитацию, ¡позволяющих автоматизировать процесс определения режимов работы оборудования гидромониторно-зе1.млесосньк комплексов и рассчитывать /параметры регулирования насосов для согласования их режимов работы.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Гидромони-торно-землесосный ¡комплекс с дополнительной внутризабой-ной установкой водоснабжения ¡гидромониторов прошел опытно-промышленные испытания (.1991 г.) и принят к внедрению на разрезе «Кол1могоро>вский» ¡концерна «Кузбассразрезуголь». Ожидаемый экономический эффект составляет 369,0 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Кроме того, разработанные в диссертации методы расчета внешних сетей гидротранспортных и насоснонгидромонитор-ныос установок были использованы для оптимизации и согласования режимов работы оборудования гидромеханизации на разрезах «Колмогоровский», «Листвянский» (концерн «Кузбассразрезуголь») и «Назаровский» (концерн «Красноярск-

уголь»). Фактический экономический эффект в 1987, 1988 и 1991 гг. составил 351,1 тыс. руб.

Апробация работы. Работа и ее отдельные положения докладывались на научно-практическом семинаре с международным участием «Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем,, комплексов н оборудования горных и промышленные предприятий» (Москва, 1993 г.); семчшаре с международные участием ученых, аспирантов, инженеров и студентов «Проблемы н перспективы развития горной техники» (Москва, 1994 г.); симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, промышленность» (Москва, 1996 г.); техническом совете концерна «К'уз'бассразрезуголь» (Кемерово, 1995 г.); технических советах разрезов «Бачатский» (1983 г.), «Колмо'Горовский» (1986 и 1988 гг.), «Листвянский» (1989 г.), «Назаровскнй» (Т993 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликованы 33 научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и приложений, изложенных на 252 страницах .машинописного текста, содержит 27 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы из 98 наименований и 6 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры горной механики и транспорта и отраслевой лаборатории интенсификации открытые горные работ и гидромеханизации МГГУ за помощь при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования являются гидромошгторно-земле-сосные комплексы карьеров.

Вопросам повышения эффективности работы гидротранспортных и гидромониторно-землесосных комплексов посвящены работы многих отечественных ученых, среди которых Г. А. Нурок, А. П. Юфин, Г. П. Никонов, А., М. Царевский, Н. А. Силин, Г. Н. Роер, Н. Д. Холин, И .А. Кузьмич, А. И. Харин, В. Ф. Хныкин, С. С. Шавловскнй, В. С. Шилыковскин, Р. Ф. Горин,ТО. А. Самойлов тдр.

Исследованиям непосредственно вопросов снижения энергозатрат при гидротранспорте посвящены работы В. Н. Покровской, А. Г. Джваршвейшвили, Л. Н. Кашпара и др. В них рассматриваются в основном установки, предназначенные для 'гидротранспорта угля, закладочных материалов, руд-нькх концентратов и хвостов обогащения;, при котором есть возможность подготовки гидросмеси необходимого состава, в

то время как при гидромониторно-землесосном способе разработки свойства транспортируемой гидросмеси зависят от гидромониторного размыва. Кроме того, во ¡всех работах энергоемкость рассматривается для гидротранспорта ¡как ¡процесса, а не как комплекса гидромашин. В связи с этим возникает необходимость исследовать энергоемкость гидромониторно-зем-лесосньюс комплексов как совокупности машин и оборудования и не только по частям, но и <в целом, что позволит выявить направления ее снижения.

Поэтому в соответствии с поставленной целью в работе определены и решены следующие задачи:

1. Разработать общую ^методику энергетической оценки работы гидротранспортных установок и гидромониторно-зем-лесоснЫ'Х комплексов в целом, позволяющую выявить факторы, ¡влияющие на энергозатраты, и установить направления их снижения.

2. Обосновать направления создания и разработать структуры энерго- и водосберегающих гидрамониторно-землесос-ньпх комплексов.

3. Исследовать параметры и установить зависимости ¡для расчета гидро-мониторно-землесосны.х комплексов с внутриза-бойной насосно-гидромониторной установкой.

4. Установить зависимости для расчета характеристик внешних сетей гидротранспортньгх и насосно-гидроаюнитар-ных установок и разработать методики определения режима работы гидромониторов.

Энергетическое совершенство машины или системы' можно оценить 'коэффициентом полезного действия, или подоб-ны1м ему показателем, характеризующим степень полезного исполызования энергии. Для гидротранопортньпх установок такой показатель существует только для одного элемента — грунтового насоса. Это его КПД, (Который характеризует эффективность передачи энергии от привода потоку гидросмеси. Но гидротрансиортная установка (предназначена для перемещения твердого материала, поэтому процесс преобразования энергии происходит не только ® грунтовом насосе, но и во внешней сети. В трубопроводе ноток воды часть своей энергии, полученной в грунтовом насосе, передает твердому материалу, приводя его в ¡движение. Эта часть энергии и является полезно используемой. Она может быть различной в зависимости от условий гидротранопортирован'ия.

С учетом вышесказанного эффективность использования энергия в тидротранспортной установке в 1цело)м можно характеризовать показателем, представляющим собой отношение .полезно использованной энергии или мощности (энергии, использованной на перемещение твердого материала) к сум-

мариому количеству энергии (мощности), подведенному к ней. Этот показатель логично назвать коэффициентом полезного использования энергии (КПИЭ) в гидротранспортной установке.

Полезную мощность (кВт) в этом случае можно определить выражением

Лл 10-\А'<2Т1,Ят„ (1)

где рт — плотность транспортируемого твердого материала, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; <2ТВ —производительность гидротранспортной установки по твердому, м3/с; Н,„ —полезный напор, т. е. полная удельная энергия, затрачиваемая на перемещение твердого материала в каналах внешней сети, м.

Полезный напор равен части сопротивления внешней сети, обусловленной движением твердой составляющей гидросмеси, т. е.

Нтв = Нг + и^-\-г<\,!2аг> (2)

. где Нг—геодезическая высота подъема гидросмеси, м; /.,„ —удельные линейные потерн напора на преодоление сопротивлении движению твердого материала, м/м; Ь — полная длина трубопровода, м; иг1[ —средняя скорость движения твердого стока, -м/с.

Величину ¡тв можно определить как разность диссипаций энергий в потоке гидросмеси и в потоке воды. При этом поток гидросмеси можно рассматривать состоящим из двух потоков, как это делает А. П. Юфин: потока воды и условного потока твердой составляющей, т. е. некоторого фиктивного континуума, которому придаются свойства жидкого потока. В таком потоке гидросмеси падение потенциальной энергии по длине, отнесенное к единице площади живого сечения и единице времени, определяется выражением

ДЯг = Ро^'о'г + (?т — й^о'г, (3)

где р0 — плотность воды, кг/м3; Vq — расход воды через единицу площади живого сечения потока, численно равный средней скорости движения воды, м/с; гг—удельные линейные потерн напора при движении по трубопроводу гидросмеси, м/м; 5 — объемная концентрация твердого в гидросмеси, дол. ед.

Чтобы получить практический результат, используя существующие методы расчета гидротранспорта, условный поток

воды, которым заменяется поток гидросмеси, должен иметь те же параметры движения, что и гидросмесь. Для такого потока

Д£о = ро£гЦ1+5)г0> (4)

где /о — удельные линейные потери напора три движении по трубопроводу воды в объеме гидросмеси, м/м.

Относя разность падений ¡потецниальных энергий потока ■гидросмеси АЕГ и потока воды Д£0 к единице веса гидросмеси, получаем потери напора, обусловленные движением твердой составляющей гидросмеси

А£г - ДЕ.

gM г 1 + 5

(5)

где Мг — массовый расход гидросмеси, отнесенный к единице площади живого сечения потока, кг/с-м2.

Выражая затраченную ¡мощность через ■эксплуатационные параметры грунтового насоса и внешней сети и физико-меха-ннческие свойства гидросмеси, получим следующую общую зависимость для определения КПИЭ в гидротранспортной установке:

,W,3,(1 - 0.33S) (hv+ /Л _\__• PrU -i- S)___l

р,.(1 - т +q)(H,. + \M,.L)

(6)

где г|о—КПД грунтового насоса при работе на воде; 7)эл —КПД электродвигателя; т — пористость твердого материала, дол. ед.; q — удельный расход воды па гидротранспорт, M3/¡M3.

Анализ зависимости (6) показывает, что входящие в нее величины ро, р7, rio, risi, L, Яг и т являются постоянными и определяются видом транспортируемых пород, трассой пульповодов и характеристиками 'Применяемого электромеханического оборудования. Поэтому основными факторами, определяющими КПИЭ в гидротранспортной установке, являются .потери напора ír и i0 и концентрация твердого в гидросмеси, определяемая удельным расходом воды.

Исследование возможных способов снижения потерь напора на гидротранспорт показало, что в условиях гидромонитор-но-землесосных комплексов сделать это в настоящее время практически невозможно.

Что касается концентрации твердого в гидросмеси, то с ее увеличением КПИЭ в гидротранспортной установке увеличивается. Однако характер увеличения не является очевидным, так как с ее увеличением возрастают и потери напора на гидротранспорт.

i

Для выявления этой зависимости проведены расчеты относительного КПИЭ в гидротранспортной установке згу — — э Гу /т]о для различных грунтов и условий эксплуатации, результаты которых представлены графически па рис. 1.

При расчете использовались известные методики определения параметров гидротранспорта: Г. П. Дмитриева (ИГД им. А. А. Скочинского), института ВНИПИИСтромсырье, В. В. Трайниса и инструкция по гидравлическому расчету систем напорного гидротранспорта грунтов, утвержденная Минэнерго СССР.

Анализ полученных графиков показывает, что для всех рассмотренных типов пород и условий эксплуатации относительный КПИЭ в гндротраиспортной установке с увеличением концентрации твердого в гидросмеси постоянно возрастает. Причем интенсивность возрастания уменьшается с увеличением плотности гидросмеси. Так, при увеличении плотности гидросмеси от 1100 до 1300 кг/«3 относительный КПИЭ увеличивается в 2,3...2,6 раза. При дальнейшем увеличении плотности гидросмеси до 1500 кг/м3 КПИЭ возрастает только в 1,3... 1,4 раза.

В то же время следует отметить, что в существующих методиках расчета параметров гидротранспорта зависимости потерь напора от концентрации твердого в гидросмеси имеют разноречивый характер, а результаты расчета при больших плотностях гидросмеси отличаются в 1,5...2,5 раза. Поэтому возникла необходимость дополнительных экспериментальных исследований параметров гидротранспорта высококонцентрированных гидросмесей.

Экспериментальные исследования проводились на стенде, оборудованном грунтовым насосом с приводом мощностью 55 кВт, выполненном на базе обкаточно-гормозного стенда КИ-2139 Б, мерными трубами диаметром 100 и 150 мм, устройством для определения плотности гидросмеси объемно-весовым способом, электромагнитным расходомером ИР-51, измерительными преобразователями «Сапфир 22», другой необходимой контрольно-нзмерительной, регулирующей, пусковой и защитной аппаратурой. Опыты производились на песчаной гидросмеси плотностью от 1170 до 1520 кг/м3.

По результатам экспериментальных исследований были построены графики зависимостей относительного КПИЭ в гндротраиспортной установке от плотности гидросмеси для различных соотношений L/HT, которые приведены на рис. 2.

Анализ полученных зависимостей показал, что в области плотностей гидросмеси до 1300 кг/м3 их характер идентичен полученным ранее с использованием существующих методик расчета параметров гидротранспорта, но в области плотностей от 1300 до 1G00 кг/м3 для наклонного и горизонтального гидротранспорта они более .пологие.

Таким образом, эффективность увеличения плотности гидросмеси зависит от ее начальной величины. Специального учета концентрации твердого в гидросмеси в производственных условиях не проводится. Поэтому были -проведены специальные экспериментальные исследования по определению плотности гидросмеси, перекачиваемой гидротранспортньгми установками гпдромоннторно-землесосного комплекса разреза «Кол'могоровский» концерна «Кузбассразрезуголь», условия работы которого типичны для всего Кузнецкого бассейна.

Плотность гидросмеси определялась объемно-весовым способом по пробам, отбираемым специально разработанным пробоотборником, смонтированны'м на пульповоде. Всего было отобрано 62 пробы. В результате математической обработки были получены следующие данные: средняя плотность перекачиваемой гидросмеси составила 1076 кг/м3, чему соответствует средний удельный расход воды 12,6 м3/м3 и средняя концентрация твердого в гидросмеси 0,048.

В то же время грунтовые насосы, используемые в составе карьерных гпдромониторно-землесосных комплексов, могут перекачивать гпдромесь плотностью до 1300 кг/м3. Поэтому, с точки зрения энергосбережения за счет повышения концентрации твердого в гидросмеси, гидротранспортные установки гпдромониторно-землесосных комплексов имеют большие ре. зервы. Кроме того, повышение плотности перекачиваемой гидросмеси Приводит к значительному снижению расхода воды, что является также актуальной хозяйственной проблемой. Поэтому основным направлением создания энерго- и во-досберегающих гпдромониторно-землесосных комплексов в настоящее время следует считать повышение концентрации твердого в гидросмеси. Однако расход воды гидромонигорно-землссоспыми комплексами определяют не гидротранспортные установки, а гидромониторный размыв. Повышение концентрации твердого в гидросмеси может быть достигнуто или снижением расхода воды на гидромониторный размыв породы, или сгущением гидросмеси перед или в процессе гидротранспорта с последующим использованием осветленной воды на гидромониторный размыв.

Уменьшение удельного расхода воды на гидромониторный размыв возможно в первую очередь за счет увеличения напора перед гидромонитором.

Анализ зависимости удельных затрат электроэнергии на разработку и гидротранспортирование 1 >м3 породы, выполненный на основании экспериментальных работ на разрезе «Колмогоровский», показал, что она имеет минимум в области напоров перед насадкой гидромонитора #„=140...180 >м. В то же время применяемое в настоящее время в гидромеханизации насосное оборудование позволяет обеспечивать напоры перед насадкой гидромонитора //,,= 130...190 м, т. е.

!

Рис.1. Расчетные зависимости относительного коэффициента использования энергии гиаротранспорт-ной установки от плотности гидросмеси цлк различных пород и условий эксплуатации

Рис.2 Экспериментальны? зависимости относительного КПИЭ в гицротранопортноП установке от плотности гидросмеси ^

применяемые напоры в среднем соответствуют минимуму энергозатрат. Поэтому с энергетической точки зрения дальнейшее увеличение напоров на гидромониторную разработку нецелесообразно.

Другим направлением создания энерго- и водосберегаю-щих гидромониторно-землесосных комплексов является повышение концентрации твердого в гидросмеси в .'процессе или перед гндротранспортированием с использованием получаемой прн сгущении осветленной воды для размыва.

Повышение концентрации твердого в гидросмеси в процессе гидротранспорта требует применения сгустнтельных аппаратов, которые могут работать в нагнетательном режиме. Из существующего оборудования к таким аппаратам относятся гидроцнвлоны и их разновидности. Экспериментальные исследования работы гидроциклона ГЦ-710 в напорной линии гидротранспортной установки АО «Разрез Бачатский» показали, что при его работе в нагнетательном режиме при реко-'мендуемом относительном сливе 40...50% практически 80... 90% глинистых и пылеватых частиц попадает в слив. При уменьшении относительного слива содержание глинистых и пылеватых частиц в сливе уменьшается незначительно, а при его увеличении в слив попадают и мелкозернистые пески.

В породах, разрабатываемых гидромониторами, до 30... 70% составляют глинистые и пылеватые частицы. Поэтому при работе гидроциклонов и им подобных аппаратов в нагнетательном режиме сгущения практически происходить не будет. При этом во внешнюю сеть .гидротранспортной установки будут поступать в основном песчаные породы, что приведет к значительному увеличению потерь напора на гидротранспорт и, как следствие, не к уменьшению, а возможно, к увеличению энергоемкости. Кроме того, аппараты такого типа имеют ограниченную производительность, не сочетающуюся с производительностью современных гидромониторно-землесосных комплексов, составляющей 6...12 тыс. .м3/ч.

Более эффективными и производительными при работе на песчано-глинистых гидросмесях могут быть устройства и аппараты, в которых сгущен не .происходит под действием силы тяжести — пирамидальные отстойники, конусные и цилиндрические (радиальные) сгустители. Однако для достижения вышеуказанных производительностей они должны иметь очень большие размеры. В то же время зумпф гидротранспортной установки можно рассматривать как пирамидальный отстойник относительно большой емкости с разгрузкой сгущенного продукта грунтовыми насосами. Если придать зумпфу определенную конфигурацию, то эффективность процессов сгущения и осветления будет не меньше, чем при применении специальных сгустнтельных аппаратов.

На этом свойстве зумпфа основана идея создания энерго-и водосберегающего гидромониторно-землесосного комплекса с внутризабойной насосно-гидромониторной установкой, (рис. 3), защищенного .патентом РФ. Он включает в себя две установки водоснабжения гидромониторов: внешнюю (основную), осуществляющую подачу воды, осветленной на гидроотвале, к гидромонитору 2, и внутризабойную, подающую частично осветленную в зумпфе 6 гидротранспортной установки воду к гидромонитору 3. Внешняя установка водоснабжения включает основную насосную станцию 1 и магистральный водовод 4. Внутризабойная установка водоснабжения состоит из насосной станции 5, располагаемой у зумпфа гидротранспортной установки, и внутрнзабойного водовода 7. Гидротранспортная установка 8 перекачивает гидросмесь на гидроотвал по пульповоду 9.

Повышение ¡концентрации твердого в гидросмеси происходит при этом за счет того, что в зумпф гидротранспортной установки поступает гидросмесь от дополнительного гидромонитора, твердая составляющая которой попадает в систему гидротранспорта, а жидкая составляющая (частично осветленная вода) циркулирует между зу.мпфом и гидромонитором. При этом в систему гидротранспорта попадают не только песчаные частицы, но и глинистые, в результате чего потери напора на гидротранспорт не будут увеличиваться так, как это имело бы место при применении специальных аппаратов сгущения, Кроме того, при установившемся режиме работы гидромониторно-землесосного комплекса состав гидросмеси и ее консистенция будут поддерживаться автоматически, что в значительной степени стабилизирует ра'боту гндротранспорт-ной установки.

Энергоемкость гидромониторного размыва ер (кВт-ч/'М3) в этом случае может быть выражена зависимостью

где q и qx — удельный расход воды соответственно па гидротранспорт и гидромониторный размыв, м3/м3; Яш, и Нзи — напор, затрачиваемый на подачу воды соответственно от основной насосной станции до внутризабойной и от внутризабойной -к гидромониторам, м; г]01, и rj31l — коэффициент полезного действия насосов соответственно основной и внутризабойной насосных станций водоснабжения; т)8д —коэффициент полезного действия электродвигателей.

Анализ энергозатрат на гидромониторный размыв и в целом по гидрокомплексу, результаты которого представлены в виде графиков на рис. 4, показал, что энергоемкость водоснабжения ¡при наличии внутризабойной насосно-гидромони-

га А боЭа. ¿у

гидро о т ¿¡ал а;

сгущенная на гсгд/Рааг^а/!

Рис.3..Гицромониторно-землесосныЯ комплекс с внутризабойной насосно-гидромонкторной установкой.

ч)

о

г^п г о ы

>.- 504» Очсян з о) ^ >3 К Я К

II | ОН^П

сл. я о о я ОС-о к г хх х о II о о НЙ ВОН <ЗОС» ч а"

ояч я I оо 9» ч; мчи

(Л- инй

Р? ннсхЗ с ^ >- о о л

V о а в> я г Я

И II I << с»

>а у» - • о о со о?-, к р иг • ч

Р>-. II • >0 М. |.цр>

:аО' • ^ м- ОС-о ст>о ■ о Ы ОI К I К с» о - а I к ч С^.

О >с ят» у-ср с о о » Ь а га ел и о ч х о оог г; ф

я О. дЧЭ

гг о я^ 1 ЭК О О 8 I К

«ч

-1

I

£

•ы ■ 04 Ч

торной установки в большинстве случаев снижается с увеличением концентрации твердого в гидротранспортируемой гидросмеси. Исключение составляют случаи с ¡малым соотношением L/Hг. Энергозатраты в целом по гидромониторно-земле-соспому 'комплексу при этом с увеличением плотности гидросмеси снижаются во всех рассмотренных случаях. Причем характер зависимостей аналогичен полученным при энергетическом анализе гидротранспортных установок, т. е. вначале интенсивность снижения энергозатрат достаточно высока, а затем кривые выполаживаются и снижение энергозатрат практически прекращается.

В количественном отношении зона резкого выполажива-ння кривых расположена в зоне плотностей гидросмеси 1170...1200 кг/м3, чему соответствуют удельные расходы воды 5...4 м3/м3. При этом снижение удельного расхода воды с 12...10 до 5...4 м3/м3 снижает удельную энергоемкость гид-ромониторно-землесосного комплекса в целом на 15...50%. Дальнейшее снижение удельного расхода воды на гидротранспорт до 3 м3/м3 уменьшает удельные энергозатраты всего an 1 ...3%, поэтому с энергетической точки зрения сгущение целесообразно производить до неличины q — Ъ... 4 м3/м3.

С другой стороны, возможности сгущения гидросмеси с помощью внутризабойной насоспо-гидромонпторной установки можно определить из зависимостей:

П +/0(1 ~m)(rh- -р.)

rJr = rJ„ 4--------------(оJ

(1 +/0(1 +

или

? = /(14-К), (9)

где K=Q3a/QOH —отношение подач забойной Q3H и основной Q0H насосных станций водоснабжения; q — удельный расход воды на гидротранспорт, м3/м3; q\ — удельный расход воды на гидромониторный размыв, м3/м3.

Анализ зависимости плотности гидросмеси р,. от соотношения подач К показал, что она имеет вид выполаживаю-щейся кривой без оптимума. Зона значительного выполажи-вания кривых соответствует значениям /(==0,8... 1,2.

В этом случае при удельном расходе воды па гидромониторный размыв ¿7i = 12...10 м3/м3 удельный расход воды на гидротранспорт составит 4,5...5,5 м3/м3, что практически соответствует энергетически целесообразной степени сгущения. Такие соотношение подач насосных станций легко осуществимо и технически, так как и па основной, и на забойной насосных станциях водоснабжения можно применять однотипное насосное оборудование. При этом затраты воды на гидравлическую разработку сокращаются в 1,8...2,6 раза.

Зависимости (8) и (9) позволяют определить необходимое соотношение подач забойной (м3/ч) и основной Qон (м3/ч)' насосных станций водоснабжения К

^^ Я\ (Г>г — Ро) — (1 — т) (от — р,.)

(1 —/и)(рт-рг)

или

К=(ях-я)/я. (И)

По величине К можно определить необходимые подачи насосов основной и внутризабойной насосных станций водоснабжения

<?»к=(?,./( 1 +ку, <2.и=тоа, (1^)

где — суммарный расход воды на гидромониторный размыв, м3/ч.

Однако реальные показатели работы таких гидромони-торно-землесосных комплексов будут зависеть от действительных режимов работы оборудования. При этом следует отметить, что современные гидромониторно-землесосные комплексы имеют сложную структуру, включающую большое количество грунтовых и водяных насосов с приводами большой единичной мощности, которые работают параллельно-последовательно и имеют сложные разветвленные сети трубопроводов. Так, например, гидромониторно-землесосные комплексы разрезов Кузнецкого бассейна имеют в своем составе от 12 до 18 насосов и от 3 до 7 гидромониторов, а общая установленная мощность электродвигателей достигает 25 тыс. кВт.

Внедрение гидромониторно-землесосных комплексов с внутризабойной установкой водоснабжения гидромониторов приведет не только к снижению необходимой мощности, но и к усложнению структуры комплекса. В связи с этим определение действительных режимов работы оборудования становится еще более актуальным.

В то же время анализ проектов гидромеханизированной разработки вскрышных пород на угольных разрезах, выполненных различными проектными организациями и техническими отделами разрезов, показал, что при проектировании гидромониторно-землесосных комплексов производится только выбор оборудования, а определения режимов его работы, и тем более их анализа, не делается. На практике это приводит к тому, что насосное оборудование часто работает в недопустимых режимах с низким КПД и с кавитацией, а также к рассогласованию режимов работы насосно-гидро-мониторных и гидротранспортных установок.

Основной причиной такого положения является отсутствие зависимостей для определения сопротивления внешних

сетей гидротранспортных и насосно-гдромониториых установок, а следовательно, и для расчета характеристик их внешних сетей. Анализ учебной, научно-технической и справочной литературы это подтвердил. Поэтому возникла необходимость разработать такие зависимости.

Вопросам исследования и расчета параметров гидротранспорта посвящены труды крупных отечественных и зарубежных ученых, среди которых М. А. Великанов, В. Д. Маккавеев, В. Н. Гончаров, И. И. Леви, А. П. Юфин, А. Е. Смол-дырев, В. В. Трайпис, Н. А. Силин, В. С. Кнороз, М. А. Дементьев, Г. П. Дмитриев, А. П. Гришко, В. Дюран, Е. Д. Уосп, Р. Уорстер и др.

Обобщение теорий и методов расчета параметров гидротранспорта, разработанных этими учеными, и анализ уравнения баланса энергии в гидротранспортной установке позволили получить обобщенную зависимость сопротивления внешней сети Нс (м) от физико-механических свойств гидросмеси и условий эксплуатации грунтовых насосов, справедливую при применении практически всех методик расчета параметров гидротранспорта

где //,.—геодезическая высота подъема гидросмеси, м; /?0—-основной коэффициент сопротивления внешней сети, обусловленного движением по трубопроводу воды или несущей жидкости, с2/м5; /?д — дополнительный коэффициент сопротивления внешней сети, обусловленного влиянием твердой составляющей гидросмеси, cл/мt:,л~1,; С?г—расход гидросмеси, м3/с; п — показатель степени.

Значения коэффициентов Яд и показателя степени п зависят от применяемой методики расчета параметров гидротранспорта. Так например, при применении: методики В. С. Кнороза

ИС = НГ + МА2 + ЯЛ

(13)

(14)

методики Г. П. Дмитриева

Яд = 0,78Гхг1Роа|с5/Л>>с^2/?, - п - -1; методики ВНИПИИСтромсырье

(15)

/?д = 3,521и'р4£5х>кр/сг, п ---0,5,

(16)

где Ло — коэффициент линейных гидравлических сопротивлений при движении по трубопроводу воды в режиме гидросмеси; Ь и £) — соответственно длина и диаметр трубопровода, м; 2;— сумма коэффициентов местных сопротивлений; Яи — коэффициент линейных гидравлических сопротивлений при движении тонкодисперсной гидросмеси, образующей несущую жидкость; с0, сх — эмпирические коэффициенты; 0= ; а, а^.—относительная плотность твердого материала соответственно в воде и в несущей среде;

— объемные концентрации в гидросмеси соответственно тончайших (0..Д74 мм), тонких (0,074...0,15 мм) и мелких (0,15...2,5 мм) твердых фракций; — гидравлическая крупность мелких частиц в стесненных условиях несущей среды, м/с; Х0' — коэффициент линейных гидравлических сопротивлении при движении воды с критической скоростью V кр (м/с).

Нагнетательные трубопроводы гидротранспортных установок часто имеют такие перегибы в вертикальной плоскости, когда отаетка выпуска гидросмеси на гидроотвале оказывается ниже максимальной отметки трассы трубопровода. Такой профиль трасс трубопроводов характерен для многих гидротранспортных установок горных предприятий. При определении режима работы таких установок в большинстве случаев возникает неопределенность, связанная с выбором геодезической высоты подъема гидросмеси и расчетной длины трубопровода.

Эту задачу можно решить, если гидротранспортную установку с таким профилем трассы трубопроводов представить как систему двух последовательно работающих грунтовых насосов: первый головной насос является реальным, а второй перекачной, помещенный в точку перегиба, — условным. Последний имеет постоянный напор, равный разности геодезических высот подъема гидросмеси до точки перегиба и до точки выпуска ее на гидроотвале. При этом условный перекачной насос работает на нагнетательный трубопровод, длина которого равна действительной длине трубопровода от точки перегиба до места выпуска гидросмеси.

Для такой системы последовательно работающих рассредоточенных по.трассе трубопроводов насосов суммарная их подача (Зя, определенная в процессе обычного графического анализа режима работы последовательно соединенных насосов, обеспечивается только в том случае, если подача головного насоса при его индивидуальной работе на трубопровод между головной и перекачной насосными станциями будет больше СЬ. Если подача головного насоса меньше <3:: то суммарная подача насосной установки равна (Эр

Анализ возможных режимов работы такой условной гидротранспортной системы позволил разработать практиче-

скую методику определения режима работы гидротранспортных установок, имеющих трассы трубопроводов с перегибами в вертикальной плоскости. Сущность ее заключается в том, что для определения действительного режима работы строят несколько характеристик внешней сети: до характер-пых точек перегиба и до точки выпуска гидросмеси. Режим работы при этом будет определяться точкой пересечения напорной характеристики насоса с той характеристикой внешней сети, при которой подача насоса будет минимальной.

С увеличением концентрации твердого в гидросмеси при гидротранспорте появляется повышенная опасность возникновения кавитации в грунтовых насосах. Их кавнтационная характеристика в настоящее время дается заводами-изготовителями в виде зависимости допускаемого кавитационного запаса от подачи. В случае гидротранспортных установок целесообразно в процессе анализа режима работы на кавитацию использовать именно такой вид кавитационной характеристики, так как исследованиями установлено, что допускаемый навигационный запас одинаков при работе на воде и на гидросмеси плотностью до 1300 кг/м3 и, следовательно, такую кавитацнонную характеристику не надо пересчитывать с воды на гидросмесь. Однако до последнего времени для этого случая не было методики анализа режима работы грунтовых насосов на кавитацию. Поэтому одной из задач, решаемых в диссертации, была разработка такой методики.

В общем виде кавитацнонный запас ДЛ (м) можно выразить зависимостью

(17)

где Ра — атмосферное давление на свободной поверхности зумпфа, Па; Р„ — давление насыщенного пара при данной температуре, Па; Нж —геометрическая высота всасывания, м; hn — потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений во всасывающей линии насоса, м.

Если для определения сопротивления всасывающего трубопровода использовать обобщенную зависимость (13), то кавитацнонный запас грунтового насоса в действительном режиме работы ДЛд (м), который исполЕ>зуется при анализе на кавитацию, может быть определен из выражения

\ / ^а [~f Ро А/

' РтЯ' Рг

- ( Яве О - Qa2 - /?вс a Qx", (18)

V gDВС /

1

17

где Нп — глубина погружения всасывающего трубопровода ниже уровня гидросмеси в зумпфе, м ! R «с о > R вс л — соответственно основной и дополнительный коэффициенты сопротивления всасывающего трубопровода, определяемые зависимостями типа (14) — (16) для длины трубопровода L = —/вс, с2/м5; 1ас —длина всасывающего трубопровода, м; Д,с —диаметр всасывающего трубопровода, м; фЛ— подача грунтового насоса в действительном режиме работы, м3/с.

Зависимость (18) может быть использована и при анализе режимов работы водяных насосов на кавитацию. В этом случае RBt л =0 и рг=р0. Поэтому

= (19)

Pog" \ DK ) 2g

где к—коэффициент линейных гидравлических сопротивлений всасывающего трубопровода; ивсд—средняя скорость движения потока воды во всасывающем трубопроводе в действительном режиме работы насоса, м/с.

Основной особенностью внешних сетей насосно-гидромо-ниторных установок по сравнению с насосными установками, методы расчета сопротивления которых известны, является наличие в них гидромониторов, производительность и сопротивление которых зависят от напора на его входе, т. е. от режима работы насоса. С учетом этого уравнение баланса энергии в насосно-гидромониторнон установке будет иметь вид

. , Р, - Я, , V* -(г2 —г,) + —-L —- =

= (zrM — г„) + А„ 4- hmr + //'n, + v»*¡2g, (20)

т. е. сопротивление внешней сети будет определяться зависимостью

Нс = Нг -L- Лв + /'„пг + А'™ + va42g. (21 )

где 2о, 21, z2 и 2рл —высота расположения соответственно уровня поверхности воды в водосборнике, центров тяжести всасывающего и нагнетательного патрубков насоса и оси гидромонитора над плоскостью сравнения, м; Р\ и Р2 — давление соответственно на входе в насос и на выходе из него, Па; и v2 — средняя скорость движения жидкости соответственно на входе в насос и на выходе из него, м/с; h„ и /'наг —потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений при движении воды соответственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м; ин — скорость вылета струи из насадки, м/с; Л',м—потери напора на преодоление сопротивлений в гидромониторе, м; #г = (ггм—г0) — геодезическая высота подъема воды, м.

Одной из основных задач эксплуатационного расчета па-сосно-гидромониторной установки является определение режима работы гидромониторов, чего до последнего времени не делалось. Для этого вводится новое понятие «напорная характеристика гидромонитора», которая представляет собой зависимость суммарного расхода удельной энергии к гидромониторе Нгм (м) от расхода жидкости через него (м3/с). Как следует из выражения (21)

и — А' д. £±1 г >2)

''|М " гм т • !

¿Я

Выражая к'гм и у„ через 0, получим

//:„ (23)

где /?гн —обобщенный коэффициент сопротивления гидромонитора, с2/м5

+ (24)

(I „'

где к— коэффициент потерь напора в гидромониторе, с-'/м5; — коэффициент гидравлического сопротивления насадки; с{„ —диаметр насадки, м.

Численный анализ выражения (20) показал, что его можно преобразовать к виду

Ягм-А7г/„\ (25)

где к' — коэффициент, зависящий от типа гидромонитора.

Величина коэффициента к' определялась экспериментально в промышленных условиях разреза «Колмогоровский» концерна «Кузбассразрезуголь». Опыты проводились на чистой воде, осветленной на гидроотвале, и на частично осветленной в зумпфе гидротранспортной установки поде плотностью до 1060 кг/м3.,

В первом случае промышленная насосно-гидромонитор-ная установка с гидромонитором ГМД-250М была оборудована электромагнитным расходометром «Индукция 51» с измерительным устройством Иу-51 и интегратором С-1М. Давление на входе п гидромонитор измерялось образцовым манометром.

Во втором случае исследования проводились иа специальной опытно-промышленной внутризабойной иасосно-гид-ромоннторной установке, включающей два последовательно соединенных землесоса ЗГМ-2М, которые забирали из зумпфа гидротранспортной установки осветленную в нем воду и подавали ее к гидромонитору ГМД-250М. Измерение расхода производилось электромагнитным расходомером типа

2*

19

УКС-И (устройство контроля скорости), разработанным институтом ВНИИГидроуголь. Образцовый манометр на входе в гидромонитор подключался через демпфирующее устройство, заполненное чистой водой.

Плотность частично осветленной воды определялась объемно-весовым способом по пробам, отбираемым с помощью специального пробоотборника. Во всех случаях опыты проводились с насадками диаметром 100, 110 и 125 мм.

Экспериментальные данные обрабатывались в координатах Я 1M=f(Ср/йп4) (рис. 5). Результаты обработки показали, что при работе гидромонитора на чистой воде коэффициент к'=0,094, а при работе на частично осветленной воде /¿' = 0,096.

Разница в значениях коэффициента /г', как видим, составляет 2%, что входит в точность экспериментальных работ. Поэтому можно считать, что и для чистой воды, и для частично осветленной с плотностью до 1060 кг/м3 обобщенный коэффициент сопротивления гидромонитора ГМД-250М будет одинаков.

С учетом выражения (21) обобщенный коэффициент сопротивления простой неразветвленной внешней сети насос-но-гидромонпторной установки

где к—коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопровода; 2)— полная длина и диаметр трубопровода, м; — сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Наличие зависимостей (20) и (23) позволяет определять режим работы насосов и гидромониторов как традиционным графоаналитическим способом, так и чисто аналитически. Для этого в диссертации разработана математическая модель, базирующаяся на трех исходных уравнениях:

уравнении напорной характеристики насосной станции водоснабжения

где и0 = Шо; а| =/а(/г; а2=1'а2/г2; а0, аи а2 — коэффициенты уравнения напорной характеристики насоса; /—количество насосов в последовательном соединении; 2—количество насосов в параллельном соединении;

уравнении характеристики внешней сети.

(26)

Я = ао4-а10+а2С}2,

(27)

Яс - Нг + ад-,

4- +

т

о л а -

аи /од

л/злуо!

/V«? ¿•<уо>/а с? & г <#<х /7 е у

л-а; ¿аа'е ас-

• ДО- Л^аг^ ^ас Б"сгп е ^О^

4-

л а

/земно*/ £<рое. а ^

тцг

1,4»

в а

4

4

в

■а

а

з-

о <* -

а

лая □

—^вг—д

о а

¿оо гаа 4>а<з &оо аоа хооо

Рис.5. Экспериментальные данные ал я определения зависимости //~

где /?см, /?3„ —коэффициенты сопротивления соответственно магистрального и забойного трубопроводов, с2/м5; то» пТ — количество соответственно магистральных водоводов и гидромониторов; /?ь /?2 — суммарные коэффициенты сопротивлений каждой группы однотипных гидромониторов, с2/м5;

уравнении напорной характеристики гидромонитора (20).

Аналитическое определение режимов работы насосной станции и гидромониторов осуществляется в такой последовательности.

1. Суммарная подача насосной станции (м3/с)

п - -а'-1*'2 }(а= /у',-Ж НГ)Т-2(аг-/?с)

2. Суммарный напор насосной станции (м)

ял = нг + ялг-

3. Подача каждого насоса (м3/с)

4. Напор каждого насоса (м)

= /■/,;/.

5. Напор па входе в каждый гидромонитор (м)

//г., //,. -

\ "г" "V У

6. Расход воды через каждый гидромонитор (м3/с)

где —обобщенный коэффициент сопротивление ка-

ждого гидромонитора из группы однотипных, с2/м5.

Применение внутризабойной насосной установки в составе гидромониторно-землесосного комплекса позволяет повысить эффективность его работы в двух направлениях:

1. При постоянной производительности гидромониторно-землесосного комплекса по твердому снизить энергозатраты и общий расход воды на разработку пород. В этом случае при одинаковом количестве насосного оборудования применяются меньшие его типоразмеры, а также трубы меньшего диаметра как для гидротранспорта, так и для водоснабжения. Это приводит к снижению общих капитальных затрат и трудоемкости технического обслуживания оборудования.

2. Увеличить производительность гидромониторно-землесосного комплекса но твердому без дополнительного расхода воды.

(30)

(31)

(32)

(33)

Изложенные выше исследования позволили разработать инженерную методику определения рациональных параметров для формирования структуры энерго- и водосберегаю-щих гидромониторно-землесосных комплексов для этих двух направлений повышения эффективности их работы.

Опытно-промышленные испытания гидромониторно-земле-сосного комплекса с дополнительной внутризабойной насос-но-гидромониторной установкой, проведенные на разрезе «Колмогоровский» концерна «Кузбассразрезуголь», показали принципиальную его работоспособность. При этом были исследованы закономерности работы гидромониторов на частично осветленной в зумпфе гидротранспортной установки воде и получены зависимости для их эксплуатационного расчета. Гидромониторно-землесосный комплекс принят к внедрению. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 369,0 тыс. руб. (в ценах 1991 г.). При этом ожидается снижение удельных затрат электроэнергии на 70...90% и снижение расхода воды в 1,9...2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексные энергетические исследования, научное обобщение ц экспериментальные работы, выполненные в диссертации, позволили обосновать направление создания энерго-н водосберегающих карьерных вскрышных гидромониторно-землесосных комплексов, установить их рациональные параметры и разработать научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в гидромеханизации открытых горных работ.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Эффективность преобразования энергии при гидротранспорте целесообразно оценивать коэффициентом полезного использования энергии (КПИЭ) в гидротранспортной установке, представляющим собой отношение энергии (мощности), используемой 'На перемещение твердого материала, к суммарному количеству энергии (мощности), переданному гидротранспортной системе.

Основными факторами, влияющими на величину КПИЭ в гидротранспортной установке, являются ¡потери напора и концентрация твердого в гидросмеси. Целенаправленно изменить можно только концентрацию. Поэтому основным направлением снижения энергозатрат на гидротранспорт является увеличение плотности перекачиваемой гидросмеси, что позволяет также сократить расход воды в производственном процессе.

2. При повышении концентрации твердого в гидросмеси от 0,030 до 0,35 К.ПИЭ в гидротранспортной установке для всех типов вскрышных пород и условий эксплуатации постоянно возрастает, причем наиболее интенсивное увеличение КПИЭ происходит при возрастании плотности гидросмеси от 1050...1100 до 1200...1300 кг/м3. При дальнейшем повышении концентрации твердого в гидросмеси интенсивность повышения КПИЭ значительно снижается. Так, при увеличении плотности гидросмеси от 1050...1100 до 1300 кг/м3 КПИЭ возрастает в 2,3...2,6 раза. Дальнейшее увеличение плотности гидросмеси до 1600 кг/м3 приводит к его возрастанию всего на 20...30%.

3. Разработан и защищен патентом РФ энерго- и водо-сберегающий гидромониторно-землесосный комплекс с внут-ризабойной насосно-гидромониторной установкой, основанный на использовании зумпфа гндротранспортпой установки как пирамидального отстойника большой емкости с разгрузкой грунтовыми насосами. Его использование позволяет: при постоянной производительности гндромониторно-землесосно-го комплекса по твердому снизить энергозатраты и абсолютный расход воды; увеличить производительность гидромони-торно-землесосного комплекса >по твердому без дополнительных затрат воды! из внешнего источника.

4. Удельные затраты энергии на разработку вскрышных пород гндромоннторно-землесосными комплексами с внутри-забойной установкой водоснабжения гидромониторов зависят от соотношения подач внутризабойной и основной насосных станций, рациональное значение которого составляет 0,8...1,2.

В этом случае при удельном расходе воды на гидромониторную разработку 10... 12 м3/м3, что характерно для большинства угольных разрезов, снижение удельных энергозатрат составит 15...45%, а расход воды сократится в 1,8...2,6 раза.

5. Установлена обобщенная зависимость для определения сопротивления внешней сети гидротранспортпой установки в зависимости от расхода гидросмеси, физико-механических свойств" твердого материала и условий эксплуатации, позволяющая рассчитывать характеристики внешних сетей грунтовых насосов при гидротранспорте вскрышных пород. Наличие такой обобщенной зависимости позволяет определять режим работы не только традиционным графическим способом, но и аналитическим, в том числе и с использованием ЭВМ, а также рассчитывать необходимые параметры регулирования для согласования режимов работы насосного оборудования гидромониторно-землеоосных комплексов.

Эта зависимость позволила также разработать методики определения режима работы гидротранспортных установок, имеющих трассы трубопроводов с перегибами в вертикальной плоскости, и анализа режима работы грунтовых насосов

на кавитацию-для случая, когда кавитационная характеристика задана в виде зависимости допускаемого кавитацион-нсих) запаса от подачи. Данные методики применимы не только для гидротранспортпых, но и для насосных установок, перекачивающих; воду. .

6. Режим работы пидромонитора можно определить с помощью его напорной характеристики, которая представляет собой зависимость суммарного расхода удельной энергии потоком жидкости при движении в гидромониторе от ее расхода.

При этом установлено, что обобщенный коэффициент сопротивления гидромонитора обратно пропорционален диаметру насадки в 4-й степени, причем для наиболее распространенных карьерных гидромониторов ГМД-250М коэффн-. циеит пропорциональности равен 0,094 и 0,096 при работе на ■чистой воде и на танкодисперсшой гидросмеси -плотностью до 1060 кг/м3,

7. С учетом зависимости для расчета напорной характеристики гидромонитора разработана математическая модель эксплуатационного расчета насосно-гидромониторных уста ново«, позволяющая определять режимы работы не только насосов, но и пгдромющиторов.

8. Разработана методика формирования структур энерго-и водосберегающих гидромониторно-землесосных комплексов, которая позволяет определить необходимый набор оборудования как с целью снижения энергозатрат и водосбере-жения, так и с целью увеличения производительности гидрокомплексов по твердому без дополнительных затрат воды.

9. Разработанный -на основе проведенных исследований энерго- и водосберегающий тидроманиторно-землесосный комплекс прошел опытно-промышленные испытания и принят к внедрению на разрезе «Колмогоровский» концерна «Кузбассразрезуголь». Ожидаемый экономический ■ эффект составляет 369,0 тыс. руб. (<в ценах 1991 г.).

Методика расчета характеристик внешних сетей гидро-транопортных установок утверждена Минуглепромом СССР в качестве отраслевой.

Внедрение методов расчета гидротранспортных и насос-но-гидромюниторных установок для оптимизации режимов работы оборудования на разрезах «Колмогоровский», «Лист-вянский» и «Назаровский» в 1987, 1988 и 1991 гг. позволило получить фактический экономический эффект в размере 351,1 тыс. руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Нурок Г. А., Шелоганов В. И. Гидромеханизация на открытых горных разработках//Техпология разработки месторождении твердых полезных ископаемых. Итоги науки и техники. АН СССР. — ВИНИТИ,

1969. С. 36—76.

2. Шелоганов В. И. Безнапорный гидротранспорт круниокускоиого классифицированного твердого материала//Вопросы технологии подводной добычи полезных ископаемых со дна морен п океанов. — М.: МГИ,

1970. С. 76—85.

3. Шелоганов В. И., Куприн А. И. Влияние мелких классов породы на транспортирующую способность безнапорного потока воды по куско-ватому .материалу//Горная механика: Науч. тр. МГИ. — М., 1970. С. 217—223.

4. Шелоганов В. И. Применение безнапорного гидравлического транспорта при разработке полускальных пород//Вопросы подводной добычи полезных ископаемых и открытых гидравлических разработок: Науч. тр. МГИ. —М„ 1971. С. 91 — 101.

5. Нурок Г. А., Шелоганов В. И. Основные параметры гидравлического отвалообразовання при железнодорожном транспорте//Горпый журнал. — 1971. — № 2. — С. 35—40.

6. Шелоганов В. И. Гидромонптор//Большая советская энциклопедия. Т. 6. —М.: БСЭ, 1971. С. 195.

7. Шелоганов В. И. Грунтовым пасос//Большая советская энциклопедия. Т. 7, — М: БСЭ, 1972. С. 403.

8. Шелоганов В. И. Карьерные водоотливные установки. — М.: МГИ, 1972. — 136 с.

9. Куприн А. И., Шелоганов В. П., Кабаченко А. Ф. Исследование коэффициента гидравлических сопротивлении пои движении жидкости п желобах с повышенной шероховатостью дна//Гндранлпка и гидротехника ,выи. 22. — Киев: Техника, 1976. С. 40—44.

10. Шелоганов В. И. К расчету характеристик трубопроводов грунтовых яасосов//Научные основы создания подводной автоматизированной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. — М.: МГИ, 1983, С. 18—22.

11. Шелоганов В. И. Расчет характеристик внешних сетей насосно-гидромонпториых установок//Технологня н технические средства гидро-,механизированной добычи полезных ископаемых.—М.: МГИ, 1984. С. 8—12.

12. Шелоганов В. II. Насосные установки для гидротранспорта.— М.: МГИ, 1985.— 52 с.

13. Вороновский К. Ф., Пухов Ю. С., Шелоганов В. И. Горные, транспортные и стационарные машины. — М.: Недра, 1985. — 320 с.

14. Шелоганов В. И., Кириллов В. В. Влияние погружения грунтового насоса на уффектнвнеетч работы земснаряда//Горное оборудование нового технического уровня. — М.: МГИ, 1986. С. 50—59.

15. Шелоганов В. И. Влияние концентрации гидросмеси па энергетические показатели работы гидротранспортных установок//Механизапии работ на, горных предприятиях.—Тула: ТулПИ, 1987. С. 126—129.

10. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Энергетическая оценка повышения концентрации твердого в гидросмеси как способа снижения энергозатрат при разработке вскрышных пород гндромониторно-землесоспы-мп комплексами//Подподная и гидро.механизнрованная разработка место-рождений полезных ископаемых. — М.: МГИ, 1988. С. 42—48.

17. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Особенности расчета гидротранспортных установок, имеющих трассы трубопроводов с перегибами в вертикальной пл<;скости//Горный журнал. Известия вузов. — 1989. — № 7. - С. 67—69..

18. Шелоганов В. П., Павленко Г. В. Определение длины вставок в трубопроводы для регулирования режима работы гидротранспортных ус-тановок//Научные основы освоения подводных месторождений полезных ископаемых и совершенствование гидромеханизации горных работ. — М.-. МГИ, 1989. С. 61—64.

19. Шелоганов В. И., Кононенко Е. А., Павленко Г. В. Оптимизация параметров • систем водоснабжения л гидротранспортирования гидромони-торно-землесосных комплексов//Каталог научно-технических разработок. Вып. 2. — М.: МГИ, 1990. С. 6.

20. Патент РФ № 1742497/Способ гидромониторно-землесосной раз-работки//Г. В. Павленко, В. И. Шелоганов, Е. А. Кононенко и др. — Опубл. в Б. И., 1992, № 23.

21. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Режимы работы и характеристика гпдромош1тора//Проблсмы механизации и электрификации горного производства, — М.: МГГУ, 1993. С. 87—92.

22. Шелоганов В. И., Каштанов П. Б. Влияние внутризабойного цикла водоснабжения на концентрацию твердого в гидросмеси и удельный расход воды на гидротранспорт. — Деп. в информ.-аналнт. центре горных наук МГГУ, справка № 27/9—118. Опубл. в ГИАБ, 1994, № 9—12, 5 с.

23. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Определение режима работы оборудования насосно-гидромониторных установок//Новыс технологии и технические средства гидромеханизации и подводной добычи. — М.: МГГУ, 1994. С.. 61—69.

24. Шелоганов В. И., Каштанов П. Б. Энерго- и водосберегающий гндромоннторно-землесосный комплекс//Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических п электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий. Часть 2. — М.: МГГУ, 1994. С. 86—90.

25. Шелоганов В. И., Павленко Г. В., Каштанов П. Б. Обоснование направлений создания энерго- и водосбсрегающих карьерных гндромони-горно-зсмлесосных комплсксов//Охрана природы, совершенствование техники и технологии на карьерах. — М.: МГГУ, 1994. С. 53—62.

26. Ялтанец И. М., Шелоганов В. И.. Павленко Г. В. Оптимизация режимов p¿^бoты гндромониторпо-землесссного комплекса//Проектиро.ва-нне гидромеханизации открытых горных работ. — М.: МГГУ, 1994. С. 431—441.

27. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Экспериментальные исследования характеристик гидромонитора ГМД-250М//Горнын журнал. Известия вузов. — 1995. — № 1. — С. 71—74.

28. Гришко А. П., Шелоганов В. И. Водоотливные установки шахт и карьеров.—М.: МГГУ, 1994. — 80 с.

29. Шелоганов В. И., Павленко Г. В. Расчет параметров регулирования режимов работы гидротранспортных установок. Депонировано в информационно-аналитическом центре горных наук МГГУ, справка № 27/9—184. Опубликовано в ГИАБ, 1995, №1, 6 с.

30. Шелоганов В. И. Расчет характеристик внешних сетей гидротранспортных н насосно-гидромониторных установок. — Деп. в информ.-аналнт. центре горных наук МГГУ, справка Л» 27/9—183. Опубл. в ГИАБ, 1995, №1,6 с.

31. Патент Р Ф№ 2054550/Всасывающес заборное устройство землесосной установки//Каштанов П. Б., Шелоганов В. И., Кононенко Е. А. Опубл. в Б. И., 1996, № 5.

32. Шелоганов В. И. Определение режима работы гидромониторов// Горный информационно-аналитический бюллетень.— 1996. — Вып. 3.— С. 68—70.

33. Шелоганов В. И. Энерго- и водосберегающи йгидромониторно-землесосный комплекс//Горный журнал. — 1996. — № 6. — С. 8—11.