автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Создание высокоэффективного комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей Республики Ангола

На правах рукописи

ДИОГУ ДЕ СОУЗА ФИЛИПЕ СЕЗАР

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РУСЛОВЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ РОССЫПЕЙ РЕСПУБЛИКИ АНГОЛА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Ю.Д.Тарасов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

И.П. Тимофеев,

кандидат технических наук

Ю.А.Петров

Ведущее предприятие - ОАО «Гипронеруд».

Защита диссертации состоится 3 июля 2003 г. в 12 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 18 июня 2003 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

д.т.н., доцент С.Л.ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена созданию комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей в Республике Ангола. В настоящее время разрабатываются в основном коренные месторождения алмазов. В последние годы все большее значение приобретает возможность освоения русловых россыпных месторождений алмазов. Учитывая уровень экономического развития Анголы, дефицит в стране материальных и энергетических ресурсов, продолжающееся хищническое использование природных национальных богатств старателями, конкуренцию западных фирм, решение задачи по созданию простого и эффективного добычного комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей является весьма актуальной. Предлагаемый способ разработки русловых месторождений должен характеризоваться минимальными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, в том числе по затратам энергоресурсов. Оборудование добычного комплекса должно быть по возможности стандартным, широко используемым в горнодобывающей промышленности технически развитых стран. Продолжительность ввода комплекса в эксплуатацию должна быть минимальна, он должен обслуживаться техническим персоналом относительно невысокой квалификации.

С другой стороны, из-за того, что Ангола в течение многих лет находилась в состоянии гражданской войны, информационная база для разработки и проектирования добычного комплекса, отвечающего перечисленным выше требованиям, чрезвычайно ограничена. Это накладывает определенный отпечаток на условия и характер проведения исследований по созданию добычного комплекса.

При анализе математической модели комплекса из-за отсутствия или ограниченности исходных данных, связанных с физико-механическими свойствами данных отложений, параметрами русловых потоков (ширины, глубины, скорости течения), пришлось исследовать предложенную модель в достаточно широком диапазоне

ЛЛЛЬНАЯ ИОТЕКА

| С.Петербург

09 >КТ /

изменения исходных данных, что неизбежно увеличило объем выполняемых работ.

Однако это позволит в дальнейшем с минимальными затратами материальных ресурсов и времени осуществить проектирование и строительство добычного комплекса.

Цель работы: установление закономерностей формирования натяжений тягового каната с учетом криволинейного профиля русла реки, скорости движения скрепера и степени его заполнения алмазосодержащей породой для разработки методики расчета и выбора параметров канатно-скреперной установки, что обеспечивает повышение эффективности разработки русловой алмазосодержащей россыпи.

Идея работьк для разработки русловой алмазосодержащей россыпи используется передвижная канатно-скреперная установка, параметры которой определяются с учетом поперечного профиля русла реки и скорости течения.

Задачи диссертационной работы

• Сформулировать требования к добычному комплексу и на основании предложенной идеи диссертационной работы разработать принципиальную схему добычного комплекса.

• С учетом заданных параметров русловых алмазосодержащих россыпных месторождений разработать физическую модель добычного комплекса.

• На основании принятой физической модели разработать математическую модель добычного комплекса.

• Разработать методику экспериментальных исследований и экспериментальный стенд для проведения этих исследований.

• С учетом экспериментальных данных выполнить анализ математической модели добычного комплекса с установлением функциональных связей между конструктивными и основными эксплуатационными параметрами добычного комплекса.

• Разработать методику расчета и выбора конструктивных и основных эксплуатационных параметров добычного комплекса.

Защищаемые научные положения

1. Натяжение головного тягового каната и направление вектора этого натяжения, функционально связанные с горизонтальной и вертикальной координатой, фиксирующей положение скрепера на дне руслового потока, определяются из условия равновесия системы скрепер - головной и хвостовые канаты - дно руслового потока с учетом переменного значения сопротивлений движению скрепера по дну руслового потока при меняющихся значениях мгновенного угла наклона скрепера и его заполнения придонной алмазосодержащей породой.

2. Вес скрепера в воде для трехканатной скреперной установки выбирается по максимальному его значению, рассчитанному из условий захвата придонной алмазосодержащей породы, поперечной и продольной устойчивости скрепера при аппроксимации реального поперечного профиля русла реки дугой окружности при заданных значениях ширины и глубины руслового потока.

3. Мощность двигателя провода трехбарабанной скреперной лебедки выбирается по среднеквадратическому значению мощностей при рабочем и холостом ходах с учетом движения скрепера в подводном и надводном положениях, а параметры участка головного каната, примыкающего к скреперу, выбираются для условия движения скрепера в надводном положении по направляющим.

Методика исследования

Методологическую основу работы составляет единый подход к работе принципиальной конструктивной схеме добычного комплекса, его математической модели и ее анализа применительно к возможным реальным условиям эксплуатации комплекса.

Теоретические исследования основаны на теории транспортных систем для горных предприятий, положениях теоретической и прикладной механики.

Экспериментальные исследования основаны на стендовых лабораторных исследованиях, выполненных на основе теории подобия на специально разработанном лабораторном стенде, трибометре и оборудовании для исследования физико-механических

свойств грунтов с использованием стандартных измерительных средств.

Научная новизна работы

Состоит в установлении закономерностей формирования натяжений тягового каната комплекса для разработки русловой алмазосодержащей россыпи с учетом криволинейного профиля русла реки, скорости руслового потока и интенсивности заполнения скрепера алмазосодержащей породой при выборе веса скрепера из условия его заполнения, поперечной и продольной устойчивости, что позволяет создать эффективный добычной комплекс, соответствующий условиям Анголы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется использованием современных методов исследования, корректным использованием в теоретических построениях известных законов теоретической механики, механики насыпных сред, удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

Практическое значение работы заключается в разработке оригинальной конструктивной схемы комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей, методики расчета и выбора основных конструктивных и эксплуатационных параметров комплекса, позволяющей обоснованно принимать проектные решения для широкого диапазона исходных данных, характеризующих условия разработки русловых алмазосодержащих россыпей в республике Ангола.

Реализация результатов работы планируется в Республике Ангола при личном участии автора диссертации.

Апробация работы работа и основные ее положения докладывались на заседаниях кафедры горных транспортных машин СПГТИ (ТУ) и на заседании научно-технического совета ОАО «Гипронеруд» в 2003 г.

Личный вклад автора

Выполнен анализ горнотехнических условий разработки русловых алмазосодержащих россыпей в республике Ангола, сформулирована цель и задачи исследования, обоснована

актуальность работы, исследована математическая модель комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей, разработан стенд и проведены экспериментальные исследования с анализом их результатов.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях в периодических изданиях, 2 патентах РФ и 1 заявке с решением о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на- 105 страницах. Содержит 33 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 95 наименований и 10 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены особенности выполнения работы для республики Ангола, сформулирована цель, идея и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе приведены данные по алмазосодержащим коренным и россыпным месторождениям, выполнен обзор и анализ известного оборудования, которое может быть использовано для разработки русловых алмазосодержазих россыпей и сделан вывод о необходимости разработки высокоэффективного комплекса, удовлетворяющего условиям республики Ангола.

В главе 2 изложены основные требования к добычному комплексу с учетом горно-геологических, экономических и социально-политических условий в республике Ангола. На основе сформулированной идеи работы разработана схема добычного комплекса, описана его математическая модель, связывающая параметры комплекса и руслового потока с алмазосодержащей россыпью.

В главе 3 сформулированы задачи и описаны методика экспериментальных исследований, задействованные

экспериментальные стенды, изложены результаты экспериментальных исследований, выполнен их анализ.

В главе 4 проведен анализ математической модели с установлением количественных зависимостей между параметрами

I I

добычного комплекса и руслового потока с донными алмазосодержащими отложениями при реальном диапазоне изменения этих параметров. Разработана методика инженерного расчета добычного комплекса и выполнен его расчет применительно к одному из вариантов его реализации.

В заключении приведены обобщенные выводы и рекомендации на основе выполненных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В

СЛЕДУЮЩИХ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ

1. Натяжение головного тягового каната и направление вектора этого натяжения, функционально связанные с горизонтальной и вертикальной координатой, фиксирующей положение скрепера на дне руслового потока, определяются из условия равновесия системы скрепер - головной и хвостовые канаты - дно руслового потока с учетом переменного значения сопротивлений движению скрепера по дну руслового потока при меняющихся значениях мгновенного угла наклона скрепера и степени его заполнения придонной алмазосодержащей породой.

Комплекс для разработки русловых алмазосодержащих россыпей выполнен (рис. 1) на основе трехканатной скреперной установки, состоящей из скрепера ящичного типа 1, одного головного 2 и двух хвостовых канатов 3 и 4, трехбарабанной скреперной лебедки 5, наклонного помоста 6 с его подъемной подводной частью 7, двух отклоняющих блоков 8 и 9 для хвостовых канатов на противоположном от лебедки 5 берегу реки 10, грохота 11 для предварительной сортировки добываемой горной массы, который установлен на переносной эстакаде 12.

Отработка алмазосодержащей толщи на дне руслового потока производится последовательно секторами, площадь которых определяется шириной реки и расстоянием между отклоняющими блоками для хвостовых канатов. После отработки очередного сектора помост с лебедкой перемещается вдоль берега реки, дорабатывается остающаюгцаяся площадь донных отложений. Затем

при том же положении лебедки перемещаются отклоняющие блоки для хвостовых канатов. Далее цикл повторяется.

Рис. 1. Схема комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей: а - план; б - вид сбоку

При разработке математической модели комплекса приняты следующие допущения: поперечный профиль русла реки в зоне разработки месторождения описывается дугой окружности, заполнение скрепера алмазосодержащей породой просходит пропорционально горизонтальной проекции пути, пройденного скрепером от уреза воды; скорость течения максимальна на поверхности и одинакова по всей ширине реки, а к ее дну линейно убывает; сопротивления движению хвостовых канатов формируются за счет их скольжения по дну русла реки и предварительного

натяжения канатов в точке их сбегания с барабанов лебедки; вектор натяжений хвостовых канатов расположен в плоскости, параллельной основанию скрепера; диаметры головного и хвостовых канатов одинаковы.

Приняты две возможные схемы заполнения скрепера: на всей ширине русла реки и на половине ширины (на второй половине пути скрепер уже полностью заполнен алмазосодержащей породой).

При этих допущениях уравнение равновесия системы скрепер - тяговые канаты — опорная поверхность, связывающее натяжение головного тягового каната, сопротивление движению скрепера по дну русла реки при постепенном заполнении скрепера алмазосодержащей породой, вес самого скрепера, линейную массу тяговых канатов, динамический напор руслового потока, сопротивления движению хвостовых канатов (рис. 2), имеет вид

где Т— натяжение головного тягового каната, Н; в— угол между вектором Т и горизонталью, град; 1Ур — статические сопротивления движению скрепера при рабочем ходе, Н; 28 - суммарное натяжение хвостовых канатов, Н; а - мгновенный угол наклона скрепера к горизонтали на удалении х (м) от уреза воды, град.

(1)

ъ

Рис. 2. Расчетная схема комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей

Сопротивление движению скрепера при рабочем ходе при условии заполнения объема скрепера донными отложениями на всем пути (Ьо):

Wp =

gj.+g

g„ + g-

/

cosa-

(1 -k)l„

f

(2)

sin a + W„

где С„ - вес скрепера в воде, Н; /0 - коэффициент сопротивления движению (коэффициент трения) скрепера по донным отложениям; С - грузоподъемность скрепера в воде (вес алмазосодерщащей породы) при полном его заполнении, Н; х - горизонтальная проекция линейной координаты пути, проходимого скрепером, м; к -коэффициент, учитывающий интенсивность заполнения скрепера; его величина определяется неравенством 1>&>0; Ь0 - ширина реки, м; / - коэффициент сопротивления движению содержимого скрепера (алмазосодержащей породы) по дну реки; ¡¥„ - лобовое сопротивление движению, вызванное встречным потоком, Н.

Составляющая 1¥„:

К = 0,5 Ъкгл\ур + V* зт {аг^ВНо)},

где Ь,И- ширина и высота скрепера, м; ув - плотность воды, кг/м; £ -показатель, учитывающий динамический напор воды; его величина определяется скоростью потока, формой преграды и кинематической вязкостью воды при заданной температуре (числом Рейнольдса); Vр -скорость движения скрепера при рабочем ходе, м/с; у0 - средняя скорость течения реки, м/с; в - расстояние между отклоняющими блоками хвостовых канатов, м.

Мгновенный угол наклона скрепера при его удалении от уреза воды на расстоянии х

а = arcsm

2 r r

\

где Я - радиус кривизны поперечного профиля русла реки, м.

Величина радиуса Я определяется при совместном решении уравнений:

д= Я° ; Я08та0=^(1-С08ав), ¡-сова,, 2

где Н0 - глубина русла реки, м; а0 - угол наклона дна руслового потока у уреза воды.

Сопротивление движению скрепера при рабочем ходе, при условии заполнении объема скрепера донными отложениями на половине пути (х=Ьо/2),

GJ0+G

G+G

2х

(1 ~k)Lc 2х

-f

(1 ~k)L0

f

cosa

sin a + W„

(3)

Натяжения головного тягового каната Т и углы в для различных х могут быть найдены при заданной мгновенной координате х из условий равновесия системы:

M(A) = -gq^lfX)2 -

- t[(L0 - х) sin в+ (н0- у) cos в] + (4)

+ <Wp + 2 *)[(£» " *)sin « + (Но ~ У) cos а)] = О,

где М(А) - момент сил относительно точки уреза воды со стороны скреперной лебедки; g - ускорение свободного падения, м/с2; у -разница между максимальным (Но) и мгновенным заглублением скрепера, м; qk - линейная масса каната (в воде), кг/м; Параметр у определяется по формуле:

тт 1-cosa У = Н--.

1-coscr

Суммарное натяжение хвостовых канатов с некоторым

запасом:

¿> = 2gqkfk(Lx +L2) + 2S0= 2gqkfk(Ц +xLa)/Ll+2Sa ,

где L,,L2 - постоянная и переменная длины участков хвостовых канатов (перекрывающих русло реки и непосредственно примыкающих к скреперу), м; Д - коэффициент трения каната о дно реки; S0— предварительное натяжение каната, Н.

Вместо момента сил относительно точки выхода груженого скрепера из воды (М(А)) со стороны скреперной лебедки может быть использовано уравнение моментов сил относительно точки входа скрепера в воду у противоположного берега:

М(В) = 0,5gqk (L20 -х2)-Т[(Н0 - y)cose + xsin6>]+

+ (Wp +Y,S)[xcosa-(H0 - y)sin a] =0. ^

Экспериментальными исследованиями на стендах получены значения коэффициентов сопротивления движению порожнего и загруженного скрепера на воздухе и в погруженном состоянии в воду, интенсивности заполнения скрепера горной массой на воздухе и при движении под водой, определена плотность и насыпная плотность донных отложений, получены основные показатели, характеризующие сыпучесть горной массы, слагающей донные отложения.

Некоторые данные экспериментальных исследований приведены в таблице 1-4.

Таблица 1

Определение коэффициента сопротивления движению порожнего скрепера в воде

G0, Р, т, Л fo (среднее)

NHcn кН кН кН

1 7 6,9 1,25

2 5,5 6 5,9 1,07 1,08

3 5,2 5,1 0,93

Таблица 2

Определение коэффициента движению загруженного скрепера в воде

N Со, с, Р, /г /г (среднее)

исп кН кН кН кН

1 22 21,8 0,99

2 5,5 16,5 25 24,8 1Д2 1,09

3 26 25,8 1,17

Таблица 3

Определение заполняемое™ скрепера на воздухе / в воде_

Показатели № опыта Средние

1 2 3 Значения

М, г 1500/1350 1490/1200 1510/1300 1500/1250

Ь,мм 510 510 510 510

Таблица 4

Определение насыпной плотности и плотности породы

К* мс, Го.

моп г/ г/ г/

ыта См3 Г г / см3 / см / см

1 250 672 254 1,67 88 2,5

2 250 670 250 1,68 89 2,6

3 250 680 260 1,68 87 2,57

Обозначения в табл. 1 - 4: Р, Т - усилия на динамометре и тяговое; /г- коэффициент сопротивлению движению загруженного скрепера в воде; М - масса груза в скрепере; Ь - перемещение скрепера; Ус- объем мерного сосуда; Мс, М„- масса порожнего и загруженного сосуда; Ув- объем добавляемой в сосуд воды.

Анализ математической модели комплекса для реального диапазона изменения параметров руслового потока и канатно-скреперной установки позволил установить зависимость направления (А) вектора натяжения (Т) головного каната от мгновенной координаты пути (х), проходимого скрепера (рис. 3) и натяжения тягового каната от координаты пути (рис. 4 и 5).

—И-Уо= 1.2м/с —Уо=1.2м/с - Д - Уо=2м/с —О— Уо=2м/с

X, м

Рис. 3. Зависимость угловой координаты в от координаты пути х, проходимого скрепером, при его заполнении на пути Ьо (88,А) и Ьо/2 (♦, О)

Рис. 4. Зависимость натяжения головного тягового каната от координаты пути х загружаемого скрепера при его заполнении на пути Ьо (♦, А) и Ьо/2 (• ,х)

\Ур,кН

Рис. 5. Зависимость сопротивления движения скрепера при рабочем ходе при условии заполнения объема скрепера донными отложениями на всем пути х загружаемого скрепера при его заполнении на пути Ьо (♦> )иЬо/2(* ,х)

2. Вес скрепера в воде для трехканатной скреперной установки выбирается по максимальному его значению, рассчитанному из условий захвата придонной алмазосодержащей породы, поперечной и продольной устойчивости скрепера при аппроксимации реального поперечного профиля русла реки дугой окружность при заданных значениях ширины и глубины и скорости руслового потока.

Принятый из условия заполнения вес скрепера Со (в воде) должен быть проверен на поперечную и продольную устойчивость. При этом необходимо учитывать возможные местные продольные уклоны русла реки.

Наиболее тяжелый (расчетный) режим работы комплекса при обеспечении поперечной устойчивости скрепера - начало движения порожнего скрепера в рабочем направлении с учетом местного уклона русла реки (при лс=0).

С учетом отмеченного вес скрепера (в воде) из условия его поперечной устойчивости может быть определен из условия (рис. 6а);

к

IV.

С™ >

^Ъ Л ^ бсоБЮ-Автю -----Щ(р соя^

(6)

\2 2 у

где ф - местный угол наклона русла реки, - расчетное усилие опрокидывания скрепера, Н:

=0,5Шу^[Ур+У^т{аг^В1Ьо)] ,

а)

б)

Рис. 6. Расчетная схема к определению поперечной (а) и продольной (б) устойчивости скрепера.

Продольная устойчивость скрепера (рис. 66) обеспечивается при непревышении опрокидывающего момента, создаваемого натяжением Т каната, над восстанавливающим моментом, создаваемым силой тяжести в воде самого скрепера Оа и сил трения, вызванных боковым давлением находящейся в скрепере алмазосодержащей породы относительно ребра опрокидывания О.

Для упрощения расчетов принято допущение, что скапливающаяся при движении скрепера порода размещается в задней его части, занимая объем, ограниченный прямоугольной призмой. С учетом принятого допущения вес скрепера из условия обеспечения его продольной устойчивости может быть определен из неравенства:

С0>-

/ зт(а - в) - ^ соз(о; - в)

'а Л . Л —сова+—вша 2 2 у

/ Л .

—сова+—Бша 2 2

(7)

где /] - коэффициент трения алмазосодержащей породы о внутренние поверхности стенок скрепера (момент трения, вызванный взаимодействием породы с задней стенкой скрепера, практически равен нулю, поэтому в расчет не принимается); у-насыпная плотность (в воде) алмазосодержащей породы, кг/м3; ц -коэффициент подвижности алмазосодержащей породы в воде; а -длина призмы, ограничивающей объем алмазосодержащей породы в скрепере, м.

При этом, при заполнении скрепера на всем пути (Ьо) а = /х/[(1-А:)£0], а при заполнении скрепера на половине пути

(Ьо/2) а = 21х/[(\-к)Ь0].

Для дальнейших расчетов принимается максимальное из трех значений С0.

При выходе загруженного скрепера из воды и движении его по наклонному помосту (в надводном положении), натяжение головного каната определяется по формуле:

т'+ (8)

где 1¥р' - сопротивление движению скрепера по наклонному помосту:

Яг^=(от'^+От,/')со5а0+(от, + вт/)&та0, (9)

где (7го', (?/ - вес скрепера и алмазосодержащей породы в скрепере на воздухе, Н; /</, / - коэффициенты трения скрепера и алмазосодержащей породы по помосту.

По приведенным выше формулам находятся натяжение одного из хвостовых канатов при движении скрепера в порожнем направлении. При этом в формулах (С=0),

3. Мощность двигателя привода трехбарабанной скреперной лебедки выбирается по среднеквадратическому значению мощностей при рабочем и холостом ходах с учетом движения скрепера в подводном и надводном положениях, а параметры участка головного каната, примыкающего к скреперу, выбираются для условия движения скрепера в надводном положении по направляющим.

Расчетная мощность двигателя скреперной лебедки может быть рассчитана как среднеквадратическое значение мощностей при рабочем и холостом ходах. При этом, учитывая переменные значения тяговых усилий при рабочем и холостом ходах в течение цикла, время движения скрепера при рабочем и холостом ходах должно быть разбито на ряд составляющих, для каждой из которых определяется среднее значение мощности.

Таким образом, расчетное значение мощности привода трехбарабанной скреперной лебедки может быть определено следующим образом:

где Три ТХ1 - среднее значение натяжения головного и хвостового тяговых канатов в /-ой составляющей рабочего и холостого ходов, Н; /р,-, - продолжительность /-ой составляющей рабочего и холостого ходов, с; tpн - время движения скрепера по наклонному

помосту, с; Ур, Ух - скорость движения скрепера при рабочем и холостом ходах, м/с; Тч- продолжительность цикла, с.

Величина составляющих г; может быть принята равной: Ь Ь

01 XI

ПУп ПУГ

р *

где п - принятое число составляющих времени движения, например, и=5.

Соотношение скоростей Ур и Ух, принимается в соответствии с технической характеристикой стандартной скреперной лебедки, а абсолютное значение максимальной скорости Ух, и соответствующая этой скорости частота вращения ротора электродвигателя привода выбираются, исходя из ограничения величины сопротивления движению скрепера от сопротивления воды.

Производительность канатно-скреперной установки при заданной вместимости скрепера, м3/ч:

0=збоокел/т;, (п)

где Ус - вместимость скрепера, м3; Я - коэффициент заполнения скрепера алмазосодержащей породой (А<1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано научно обоснованное техническое решение актуальной задачи по созданию высокоэффективного добычного комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей республики Ангола.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана конструктивная схема комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей республики Ангола на базе трехканатной скреперной установки с одним головным, двумя хвостовыми канатами и подъемной секцией наклонного помоста для защиты берегового откоса от разрушения скрепером.

2. Предложена математическая модель добычного комплекса, функционально связывающая ширину и глубину русла реки, скорость потока и скорость и движения скрепера, массу перемещаемой породы, вес скрепера, физико-механические свойства

донных отложений с натяжением тягового каната и его линейной массой.

3. Натяжение головного каната при любой модели заполнения скрепера донными отложениями плавно возрастает при движении скрепера в подводном положении и становится постоянным при движении по наклонному настилу при движении скрепера в надводном положении.

4. На величину сопротивлений движению существенное влияние оказывает скорость движения скрепера и скорость течения реки, величина этого сопротивления пропорциональна квадрату геометрической суммы этих скоростей и произведению ширины и высоты скрепера.

5. Разность между углом наклона скрепера и углом, определяющим направление вектора Т натяжения головного каната, имеет не нулевое значение при х=0, максимум в интервале хе(0;Ьо/2), а затем плавно уменьшается до нуля при х=Ь0, а натяжение Т головного тягового каната плавно возрастает при продвижении скрепера поперек русла реки при любой модели заполнения скрепера - на полном пути (Ьа) и заполнении скрепера на части пути (¿о/2).

6. Вес скрепера (в воде), как правило, должен выбираться из условий его заполнения алмазосодержащей породой, однако при некоторых значениях параметров руслового потока и свойствах придонных пород может превышать эти значения: в этом случае вес скрепера должен выбираться из условия его поперечной и продольной устойчивости.

7. Значения коэффициентов сопротивления движению порожнего скрепера и алмазосодержащей породы по донным отложениям русла реки снижаются соответственно на 18 н- 22% и 4 15% по сравнению с аналогичными показателями при движении скрепера на воздухе.

8. Интенсивность заполнения скрепера алмазосодержащей породой при движении скрепера в воде снижается на 15 -г 20% со смещением основной массы породы к задней стенке скрепера. Поэтому для исключения выноса породы через заднюю стенку

предлагается оснастить скрепер ящичного типа крышкой на всю или на часть длины скрепера.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Фшипе Сезар. Комплекс для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Горные машины и автоматика. 2001., № 9, С. 7 - 8.

2. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Фшипе Сезар. Выбор основных параметров устройств для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Горные машины и автоматика. 2002., №2, С. 2-4.

3. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Филипе Сезар. Расчет и выбор параметров канатно-скреперной установки для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Известия высших учебных заведений. Горный журнал., 2002, № 4., С. 31 - 36.

4. Патент РФ 2168020. Устройство для разработки русловой алмазосодержащей россыпи. Ю. Д. Тарасов, Диогу де Соуза Филипе Сезар. - Заявл. 24.11.1999, № 99124893/03; Опубл., 27.05.2001; МПК 7 Е 21 С 41/26 Бюл. № 15

5. Патент РФ 2181815. Скрепер для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Ю. Д. Тарасов, Диогу де Соуза Филипе Сезар.- Заявл. 27.07.2000, № 2000120043/03; Опубл. 27.04.2002; МПК 7Е 02Р 3/54; Е 21С 41/30; Бюл № и.

РИЦСПГГИ. 17.06.2003.3.301 Т.ЮОэкз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

Р 12 2 3 3

Í22JJ

ВВЕДЕНИЕ

1. Характеристика русловых россыпных месторождений алмазов Анголы

1.1. Россыпные месторождения полезных ископаемых

1.1.1. Геология россыпей

1.1.2. Запасы полезного ископаемого

1.1.3. Общие сведения о россыпных месторождениях

1.1.4. Аллювиальные россыпи

1.1.5. Распределение ценных минералов

1.1.6. Условия образования

1.1.7. Концентрация ценных минералов

1.2. Обзор существующих технических способов разработки россыпных месторождений

1.2.1. Механические добычные устройства

1.2.2. Гидравлические и механогидравлические добычные устройства

1.3. Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2. Разработка математической модели добычного комплекса

2.1. Требования к добычному комплексу

2.2. Описание конструкции и принципа действия комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей

2.3. Параметры русловых россыпных месторождений и физическая модель комплекса для их разработки

2.4. Математическая модель комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования---------------------------------—

3.1. Задачи и методика экспериментальных исследований

3.2. Планирование эксперимента

3.3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ Выводы по главе

ГЛАВА 4. Анализ математической модели и методика расчета комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей

4.1. Количественная оценка взаимосвязанных параметров канатно-скреперной установки

4.2. Методика расчета и выбора параметров канатно-скреперной установки для разработки русловых алмазосодержащих россыпей —

Диссертационная работа посвящена созданию комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей в Республике Ангола.

В экономике Анголы алмазы являются основными стратегическими ресурсами, формирующими значительную долю валового национального продукта и валютных поступлений страны. При любых достижениях в области реформирования промышленности страны, упрочнение её позиций на мировом рынке алмазов будет оставаться приоритетной государственной задачей на длительную перспективу.

В настоящее время разрабатываются в основном коренные месторождения алмазов. В последние годы все большее значение приобретает возможность освоения русловых россыпных месторождений алмазов.

Учитывая уровень экономического развития Анголы, способ разработки русловых месторождений должен характеризоваться минимальными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, в том числе по затратам энергоресурсов. Оборудование добычного комплекса должно быть по возможности стандартным, широко используемым в горно-добывающей промышленности технически развитых стран. Продолжительность ввода комплекса в эксплуатацию должна быть минимальна, он должен обслуживаться техническим персоналом относительно невысокой квалификации.

С другой стороны, из-за того, что Ангола в течение многих лет находилась в состоянии гражданской войны, информационная база для разработки и проектирования добычного комплекса, отвечающего перечисленным выше требованиям, чрезвычайно ограничена. Это накладывает определенный отпечаток на условия и характер проведения исследований по созданию добычного комплекса.

При анализе математической модели комплекса из-за отсутствия или ограниченности исходных данных, связанных с физико-механическими свойствами донных отложений, параметрами русловых потоков (ширины, глубины, скорости течения), пришлось исследовать предложенную модель в достаточно широком диапазоне изменения исходных данных, что неизбежно увеличило объем выполняемых работ.

Однако это позволит в дальнейшем с минимальными затратами материальных ресурсов и времени осуществить проектирование и строительство добычного комплекса.

Цель работы. Установление закономерностей формирования натяжений тягового каната с учетом криволинейного профиля русла реки, скорости движения скрепера и степени его заполнения алмазосодержащей породой для разработки методики расчета и выбора параметров канатно-скреперной установки, что обеспечивает повышение эффективности разработки русловой алмазосодержащей россыпи.

Идея работы. - Для разработки русловой алмазосодержащей россыпи используется передвижная канатно-скреперная установка, параметры которой определяются с учетом поперечного профиля русла реки и скорости течения. Задачи диссертационной работы

• Сформулировать требования к добычному комплексу и на основании предложенной идеи диссертационной работы разработать принципиальную схему добычного комплекса.

• С учетом заданных параметров русловых алмазосодержащих россыпных месторождений разработать физическую модель добычного комплекса.

• На основании принятой физической модели разработать математическую модель добычного комплекса.

• Разработать методику экспериментальных исследований и экспериментальный стенд для проведения этих исследований.

• С учетом экспериментальных данных выполнить анализ математической модели добычного комплекса с установлением функциональных связей между конструктивными и основными эксплуатационными параметрами добычного комплекса.

• Разработать методику расчета и выбора конструктивных и основных эксплуатационных параметров добычного комплекса.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана конструктивная схема комплекса для разработки русловых алмазосодержащих россыпей республики Ангола на базе трехканатной скреперной установки с одним головным, двумя хвостовыми канатами и подъемной секцией наклонного помоста для защиты берегового откоса от разрушения скрепером.

2. Предложена математическая модель добычного комплекса, функционально связывающая ширину и глубину русла реки, скорость потока и скорость движения скрепера, массу перемещаемой породы, вес скрепера, физико-механические свойства донных отложений с натяжением тягового каната и его линейной массой.

3. Натяжение головного каната при любой модели заполнения скрепера донными отложениями плавно возрастает при движении скрепера в подводном положении и становится постоянным при движении по наклонному настилу при движении скрепера в надводном положении.

4. На величину сопротивлений движению существенное влияние оказывает скорость движения скрепера и скорость течения реки, величина этого сопротивления пропорциональна квадрату геометрической суммы этих скоростей и произведению ширины и высоты скрепера.

5. Разность между углом наклона скрепера и углом, определяющим направление вектора Т натяжения головного карата, имеет ненулевое значение при х=0, максимум в интервале лге(0JLJ2), а затем плавно уменьшается до нуля при x=Lo, а натяжение Т головного тягового каната плавно возрастает при продвижении скрепера поперек русла реки при любой модели заполнения скрепера - на полном пути (L0) и заполнении скрепера на части пути (LJ2).

6. Вес скрепера (в воде), как правило, должен выбираться из условий его заполнения алмазосодержащей породой, однако при некоторых значениях параметров руслового потока и свойствах придонных пород может превышать эти значения: в этом случае вес скрепера должен выбираться из условия его поперечной или продольной устойчивости.

7. Значения коэффициентов сопротивления движению порожнего скрепера и алмазосодержащей породы по донным отложениям русла реки снижаются соответственно на 18 -г- 22% и на 4 т 15% по сравнению с аналогичными показателями при движении скрепера на воздухе.

8. Интенсивность заполнения скрепера алмазосодержащей породой при движении скрепера в воде снижается на 15 + 20% со смещением основной массы породы к задней стенке скрепера. Поэтому для исключения выноса породы через заднюю стенку предлагается оснастить скрепер ящичного типа крышкой на всю или часть длины скрепера.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных значений, - М.: Недра, 1976,-280 с.

2. Ал боров З.Б. Разработка зарубежных месторождений, расположенных под водоемами и реками, М.: 1961, - с. 25-38.

3. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. — М.: Стройиздат, 1973,-264 с.

4. Андреев А.В. Передачи трением, М.: Машиностроение, 1978, - 176 с.

5. Арукюла Х.Х., Рейер А.Х. Основы теории инженерного экспериментирования в горном деле, Таллинн: 1973, - 147 с.

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

7. Болыпунов А.В. Анализ совместной работы буксировочного троса и транспортирующего контура донного агрегата. Тезисы докладов. Конференция «Полезные ископаемые России и их освоение», СПб., 1997,-с. 61.

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

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

10. Вепггорг В. Э., Митрофанов В.П., Шереметова Н.М. Особенности управляемости плавучего добывающего комплекса.// Проблемы гидродинамики в осовоении океана, Киев: Наукова думка, 1984,-с. 110,111.

11. З.Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике, 13-е изд., стер.- М.: Физматлит, 1995, 872 с.

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

13. Глумов И.Ф. Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана, М.: 1986,-343 с.

14. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика, М.: 1972,-365 с.

15. Горные транспортные машины и комплексы. Лабораторные работы, -Л.: ЛГИ, 1982,-69 с.

16. Гутер Р.С., Овчинский Я.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта, М.: 1970, - 432 с.

17. Гюльмисаров В.Р., Ширяев Б.К. Технологические комплексы для разработки глубоководных ресурсов морского дна, М.: ВНТИЦентр, 1988,- 128 с.

18. Длин А.М. Математические статистика в технике, М.: 1988, - 128 с.

19. Длин А.М. Факторный анализ в производстве, М.: 1975, - 328 с.

20. Добрецов В.Б. Освоение минеральных ресурсов шельфа, Л.: Недра, 1980,-272 с.

21. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Кн. 1. М.: Финансы и статистика, 1986, - 399 с.

22. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Кн. 2. М.: Финансы и статистика, 1986, - 399 с.

23. Дукельский А.И. Подвесные канатные дороги и кабельные канаты, -М: 2966,484 с.26.3ажигаев JI.C., Кишьян А.А., Романиков Ю.Н Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента, М.: 1978, - 232 с.

24. Зеленский Н.М. К тяговому расчету скреперных установок, Днепропетровск: 1952, - 352 с.

25. Зеленский Н.М. Основные вопросы проектирования рудных скреперов, Днепропетровск: 1955, - 267 с.29.3ель Э.Ф. Скреперные установки, Киев: 1933, - 100 с.

26. ЗО.Зенков Р.А. Механика насыпных грузов, М.: 1966, - 154 с.

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

28. Истошин С.Ю. Морской горный промысел, М.: Наука, 1981, - 168 с.

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

30. Козьмин П.С. Машины непрерывного транспорта, часть 2, M.-JI.: Машгиз, 1942, -358 с.

31. Коробков В.А., Левин B.C. Подводная технология, Л.: 1981, -237 с.

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

33. Кудрявцев В.А., Демидович Б.П. Краткий курс высшей математики,-М.: 1986,-575 с.

34. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов, JL: Судостроение, 1980, - 335 с.

35. Куров А.В., Назаров В.И., Попов Ю.В. Экономическая эффективность освоения ЖМК в Мирововм океане. Морская геология и геофизика,- М.: ВИЭМС, 1981, -60 с.

36. Лешков В.Г. Теория и практика разработки россыпей многочерпаковыми драгами, М.: Недра, 1980, - 352 с.

37. Лобанов В.А. Справочник по технике освоения шельфа, Л.: Судостроение, 1969, - 248 с.

38. Лузин Н.Н. Интегральное исчисление, М.: 1952, - 416 с.

39. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул, М.: 1982, - 224 с.

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

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

42. Маховиков Б.С., Братчиков Н.В. Средства гидроподъема полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа.// Наука в СПГГИ, вып. 3, СПб.: СПГГИ, 1998, - с. 45-55.

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

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

45. Отчет по НИР № 38/95. Разработка комплекса электромеханического оборудования для добыч полезных ископаемых со дна морского моря, -СПб.: 1995,-51 с.

46. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов. — М.: наука, 1970, 70 с.

47. Разработка принципиальных схем подводных транспортно-добычных машин с учетом возможности их энергосбережения и оборудования приводами.// Отчет по НИЧ кафедры КГМ и ТМ, СПб.: СПГТИ (ТУ), 1994, - 93 с.

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

49. Савельев В.И. Состояние и перспективы развития методики и техники морских геологических исследований. В кн.: Морская геология и геофизика, т. 1, Рига: Зинатне, 1970, - с. 7-18.

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

51. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: наука,1981,-488 с.

52. Смирнов В.И. Курс высшей математики.// Учеб. Для ВУЗов, т. 1, М.: Физматгиз, 1961, - 441 с.

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

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

55. Судовые устройства. Справочник.// Под ред. Александрова М.Н. JL: Судостроение, 1987, - 665 с.

56. Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна, -Л.: ЛГУ, 1987, 174 с.

57. Тихонов Н.В. Расчет рудничных скреперов, М.: Горный журнал, №7, 1964,- 168 с.

58. Технические средства для освоения минеральных ресурсов океана. -Л.: Судостроение, 1972, 199 с.

59. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента, М.: 1967,- 378 с.

60. П1енк X. Теория инженерного эксперимента. — М: Высшая школа, 1985,-385 с.

61. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды. М.: Энергия, 1973, - 270 с.

62. Шнюков Е.Ф, Белодед P.M., Целько В.П. Полезные ископаемые Мирового океана, Киев: Наукова думка, 1974, - 208 с.

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

64. Эскизные проработки основных элементов комплекса технических средств для подводной разработки россыпей в условиях шельфа. Отчет по НИЧ кафедры КГМ и ТМ, СПб.: СПГГИ (ТУ), 1996, - 79 с

65. Комаров М.С.Определение расчетных нагрузок производственных механизмов и машин, Киев-Москва, Машгиз,1958 ; с.37-40.

66. Харьков А. Д, Зинчук И.Н, Зуев В.Н, История алмаза. М.:Недра.1997 -600с.

67. Пухов Ю.С. Рудничный транспорт, М.: Недра, 1980.-272с.

68. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ,М.:Недра ,1979-549с.

69. Лешков В.Г. Современная техника и технология дражных работ. М.: Недра 1971-288с.

70. Лезгинцев Г. М, Истошин С.Ю, Конгарь Е.А. Применение эрлифтного оборудования для разработки морских россыпей. М.: Цнии-Цветмет1973-72с.

71. Федоров Д.И., Рабочие органы землеройных машин, М, 1990- 360с.

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

73. Меро Дж.Л. Минеральные ресурсы океана- М.:,1969.78.3абела К.А.,Кушнирюк Ю.К.,Пособие подводно-техническим работам в строительстве. Киев,Будивельник,1975- 165с.

74. Наумов А. А.,Носов Н.И., Песочинский В.Н.,и др. Совершенствование технических средств и технология морских дно- углубительных работ самоотвозными землесосами.М.:Убнти.мир,1975- 47с.

75. Фраммурзе Х.Ф.Гидрогеологические исследования в аридных и полуаридных областях Южно-Африканского союза и Анголы ВКН:гидрогеология и гидрология аридной зоны земного шара .М.:1955; с.95-129.

76. Нурок Г. А. и др Технология подводной разработки морских россыпных месторождении . учед по М. 1974,250с.

77. Шорохов С.М. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождении.учебник по специальности<технология и комплексная механизации открытой разработки месторождений полезных ископаемых>.М.:Недра ,1973.

78. Шорохов С.М. Разработка россыпей экскаваторами и скеперами М-Л Металлургиздат! 940.

79. Шорохов С.М Предохранение рек от загрянения при разработке россыпных месторождении. М.: Недра ,1980-207с,ил 22.

80. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Филипе Сезар. Комплекс для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Горные машины и автоматика. 2001№ 9, С. 7 8.

81. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Филипе Сезар. Выбор основных параметров устройств для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Горные машины и автоматика. 2002., № 2, С. 2 4.

82. Тарасов Ю. Д., Диогу де Соуза Филипе Сезар. Расчет и выбор параметров кантно-скреперной установки для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Известия высших учебных заведений. Горный журнал., 2002, № 4., С. 31 36.

83. Патент РФ 2168020. Устройство для разработки русловой алмазосодержащей россыпи. Ю. Д. Тарасов, Диогу де Соуза Филипе Сезар. Заявл. 24.11.1999, № 99124893/03; Опубл., 27.05.2001; МПК 7 Е 21 С 41/26 Бюл. № 15

84. Патент РФ 2181815. Скрепер для разработки русловых алмазосодержащих россыпей. Ю. Д. Тарасов, Диогу де Соуза Филипе Сезар.- Заявл. 27.07.2000, № 2000120043/03; Опубл. 27.04.2002; МПК 7Е 02F 3/54; Е 21С 41/30; БЮЛ № 12.

85. Вечерина О.П ДГевченко В.А, Никулин А.Н. и др Мировая добыча алмазов, Восточная Литература Ран "Москва 2000",269с.

86. Le Personne, J. 1945,- Les grands tratts de la geologie du kasai occidental et l'origine secondaire du diamant. BSBG, Tome LVTII, fasc.2.

87. Freire de Andrade, C. 1953,- Diamond deposits in Luanda, Part I and II .Lisboa. Publication de la companhia de diamantes de Angola.

88. Freire de Andrade, C. 1948, Breve noticia sobre um afloramento do terra9o(karroc) inferior no nordeste de Angola(Luanda). Bol. Soc.Geol. Portugal, Vol. 1П. Fasc 1-2.

89. Горное оборудование .вып.43.-л.:1969.-165с.

90. Горное оборудование .вып.43.-л.:1969.-125с.