Экспериментальные исследования процесса подводной разработки россыпного месторождения тяжелых минералов методом всасывания Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

______________________________ © А.М. Пуляевский, С.И. Корнеева,

В.С. Литвинцев, Г. П. Пономарчук,

2005

УДК 622.271.53

А.М. Пуляевский, С.И. Корнеева, В.С. Литвинцев,

Г.П. Пономарчук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОДВОДНОЙ РАЗРАБОТКИ РОССЫПНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МИНЕРАЛОВ МЕТОДОМ ВСАСЫВАНИЯ

ш И одводная разработка россыпных месторождений минера-И лов большой плотности методом всасывания обладает некоторыми важными преимуществами перед традиционными способами, например, дражно-черпаковым. При всасывании горной массы происходит ее предварительное обогащение за счет того, что наиболее крупные фракции (булыжники, валуны) остаются в россыпи и не участвуют в дальнейшем технологическом процессе. Одновременно достигается и снижение энергозатратности добычи тяжелых минералов.

Однако эксперименты, проведенные сотрудниками МГРИ им. С. Орджоникидзе, показали, что подъем минералов высокой плотности возможен лишь при больших скоростях (10-12 м/с) всасывания воды [1], которые не могут быть обеспечены стандартным насосным оборудованием землесосных снарядов, а потому этот путь является ресурсо- и энергоемким и, в целом, экономически нецелесообразным.

Анализ кинематической структуры течения, создаваемого вокруг всасывающей трубы земснаряда, показывает низкую ее эффективность в отношении воздействия на поверхность забоя.

Это обусловлено тем, что значительная часть всасываемой воды поступает в трубу из области, лежащей выше входного сечения и потому не способствует извлечению частиц из россыпи. Следовательно, усилить воздействие течения воды на горную массу принципиально возможно за счет изменения структуры потока. Эта задача последовательно решалась путем разработки новых конструкций всасывающих устройств [2^5]. С помощью плос-

кого кольцевого экрана [2] формировался поток с повышенными скоростями у дна забоя, за счет чего эрозионный размыв становился более интенсивным, что приводило на том же всасывающем оборудовании к выемке частиц с большей плотностью. Всасывающие устройства [3, 4] формировали качественно иную кинематическую картину течения, отличающуюся развитыми восходящими струями, обеспечивающими наилучшие условия для взвешивания и транспортирования твердых фракций. Кроме того, конструкция всасывающих устройств увеличивает площадь прорабатываемой поверхности с одной позиции земснаряда в 20-30 и более раз, за счет чего резко повышается равномерность проработки забоя и снижаются потенциальные потери ценного компонента, а также позволяет развивать практически любые необходимые скорости восходящего потока, необходимые для взвешивания частиц заданной плотности и формы. Равномерность извлечения минералов была увеличена еще в большей степени путем применения поворотного всасывающего устройства [5]. В гидравлическом отношении наиболее совершенной является конструкция всасывающего устройства земснаряда [6], поскольку в ней обеспечивается наиболее равномерное распределение градиентов давления во всасывающем тракте от забоя до всасывающего агрегата.

Цель настоящей работы состояла в экспериментальной проверке возможности подводной разработки россыпных месторождений минералов большой плотности методом всасывания с применением экранного устройства, по конструктивному исполнению близкого к всасывающему устройству [6] (рис. 1).

Опыты проводились на базе ШОУ ОАО «Прииск Соловьев-ский» (Амурская область) в 2004 году. Экспериментальная установка (рис. 2) была смонтирована с учетом имеющейся на ШОУ производственной системы водоснабжения.

Модель всасывающего устройства 1 помещалась в емкость 2 диаметром 1000 мм и высотой 1400 мм. Вакуум во всасывающем устройстве 1 развивался водоструйным насосом 3, запитываемым технической водой из системы водоснабжения ШОУ 4 через задвижку 5 и трубопровод 6. Под действием вакуума вода или гидросмесь поступали в модель всасывающего устройства 1 и далее через всасывающий наконечник 7, соединительный шланг 8 и вса-

Рис. 1. Всасывающее устройство: 1

- плоский экран; 2- кольцевой бурт; 3- сопрягающий конус; 4 - всасывающий наконечник; 5 приёмные щели

сывающую трубу 9 в камеру смешения 10, напорный патрубок 11 и шланг 12 - в ёмкости 13 или 14. Давление в характерных сечениях измерялись вакуумметром 15 и манометрами 16 и 17. Перед началом эксперимента в бочку 2 насыпался слой горной массы 18 толщиной 100-200 мм; на поверхность этого слоя или на некоторую глубину (10-15 мм) помещались имитаторы частиц ценного компонента, в качестве которых использовалась свинцовая дробь диаметром 2,5-4,0 мм плотностью 11,7 г/см3. В некоторых опытах закладывались золотины уплощенной формы плотностью 1718 г/см3 с максимальным линейным размером 14,7 мм и толщиной 0,7-2,2 мм.

Методика проведения экспериментов состояла в следующем.

Вначале были проведены методические опыты по перекачке чистой воды с целью установления основных характе-ристик водоструйного насоса, в дальнейшем используемого в качестве гидроэлеватора. Всего было проведено 6 опытов, из них три - с всасыванием через шланг без экрана и три с экраном. При этом использовалось две емкости по 900 л каждая, предварительно протарированные объемным способом. Одна из них (условно емкость № 1, поз. 2 на рис. 2) выполняла роль резервуара, на дне которого помещался слой горной массы и заполнялось определенное количество воды; другая - (условно емкость № 2, поз.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - всасывающее устройство; 2 -бочка; 3 - водоструйный насос; 4 - система водоснабжения ШОУ; 5 - задвижка; 6 - трубопровод; 7 - всасывающий наконечник; 8 - соединительный шланг; 9 -всасывающая труба; 10 - камера смешения; 11 - напорный патрубок; 12 - шланг; 13, 14 - приемные ёмкости

13, 14) служила для приема воды или гидросмеси из напорного патрубка насоса. В каждом опыте измерялся объем воды в обоих резервуарах до начала и в конце эксперимента и время перекачивания. Затем расчетом определялись расходы во всасывающем тракте насоса Qвс и его нагнетательном патрубке Q2, а также расход в насадке Q0 = Q2 - Qвс.

После этого рассчитывался коэффициент подсасывания:

а = . (1)

а

Он оказался в пяти опытах почти постоянным и равным 1,14^1,18; в одном из опытов с экраном получилось а = 3,37, что можно объяснить колебаниями давления в системе водоснабжения, вызванные подключением во время опытов потребителей в ШОУ. Эти результаты дали основание счи

тать водоструйный насос работоспособным и пригодным для работы в качестве гидроэлеватора для перекачивания гидросмеси.

Рис. 3. Зоны закладки дробин-

имитаторов

Основные эксперименты по всасыванию горной массы проводились следующим образом.

В бочке № 1 готовилась модель забоя, для чего на дно бочки ровным слоем толщиной 150-200 мм укладывалась горная масса из хвостов ШОУ. Затем на поверхность слоя (постель) или в толще горной массы на глубине 10-15 мм помещалась свинцовая дробь диаметром 2,5-4,0 мм, окрашенная в разный цвет в зависимости от зоны размещения. В первой (центральной) зоне (рис. 3) помещалось 150 дробин серого цвета, во второй зоне

- 300 шт. белого и в третьей (периферийной) зоне - 450 шт. желтого цветов.

При этом плотность распределения дроби уменьшалась от центра к периферии и составляла 7,1 шт/см2 для I зоны, 1,9 шт/см2 для II и 0,5 шт/см2 для III зон.

Затем над подготовленной таким образом постелью на известной высоте вывешивался экран. В большинстве опытов он просто опускался на постель. Экран соединялся резиновой вставкой с всасывающим патрубком гидроэлеватора.

Напорный патрубок гидроэлеватора соединялся с резиновым шлангом длиной 6 м и диаметром 100 мм, по которому гидросмесь направлялась в мерную емкость (бочку № 2), с помощью которой определялся общий объем перемещенной гидросмеси, отдельно объем чистой воды и объем горной массы, а также количество перемещенных дробин. Цвет дробин позволял установить первоначальное расположение их на постели в бочке № 1. В одной части опытов приемная емкость (бочка № 2) располагалась на одном уровне с бочкой № 1 (на земле), в другой -на высоте 1125 мм от поверхности земли. В нескольких опытах методического характера в качестве приемной емкости использовалась

бочка (бочка № 3) емкостью 125 л. Продолжительность экспериментов фиксировалась секундомером.

Особенность проведенных исследований состояла в чрезвычайно высокой их трудоемкости, а также некоторой нестабильности гидравлических параметров в части опытов, вызываемой изменениями в системе водозабора.

Всего было проведено 6 опытов на «чистой» воде, 10 опытов с гидросмесью и дробью и 3 опыта - с гидросмесью и золотинами.

Первичные опытные данные обрабатывались следующим образом.

В каждом опыте перед его началом измерялись в ёмкости № 1 начальные уровни постели и воды и по тарировочным кривым определялись начальные объемы горной массы '^гмн и '^вн. После проведения опыта в этой же емкости таким же способом определялись конечные объемы '^гмк и '^вк. Объемы горной массы и воды, перемещенные во время опыта, определялись как разность между этими величинами:

Д^ = ЩмН - Щм (2)

Д^в = Щен - Щек (3)

а объемы пульпы -

ДЩп =ДЩгм +ДЩгв (4)

Такие же измерения проводились в приемной бочке (бочке № 2) и определялись, соответственно, по формулам:

Д^2м = ^2гмК - ^2мн , (5)

Д^2в = ^ ^ , (6)

Д^2„ =Д^2гм +Д^2в . (7)

Контроль правильности измерений и вычислений на этом этапе проводился по соотношению

Д^гм =Д^2гм , (8)

Делением соответствующих величин на время опыта 1 определялись расходы

Qlв =Д^, (9)

02в =Д^, (10)

&„ = ^ , (11)

б2И = ^, (12)

а затем - расход воды через насадок гидроэлеватора:

00 = 02в - 01в . (13)

Затем подсчитывалось количество дробин, оставшихся в бочке № 1 и число дробин, перекачанных в ёмкость № 2. В некоторых

случаях баланс по дроби нарушался из-за оседания части дроби

внутри шланга и экрана, и это было учтено в дальнейшей обработке результатов.

Дальше определялся объемный вес гидропульпы по формуле

У гм Д^гм + у0 Д^1в + &др ^др

Гп =-

Л^1п

(14)

где у0 - объемный вес воды; Одр - вес одной дробины; Кдр - количество дробин, извлеченных из забоя емкости № 1.

В качестве расчетной была принята дробина диаметром 3 мм с плотностью свинца рсв = 11,7 г/см3. Плотность горной массы в результате проведенных измерений оказалась равной ргм = 3,18 г/см3. Плотность воды принималась для температуры 1 = 20 0С.

Затем определялась скорость витания Ув для расчетной дробины по формуле

43 Щ [р -'), (|5)

где Сд - коэффициент сопротивления, для шара принятый равным

0,47.

Скорость витания Ув получилась равной 0,946 м/с. Рассчитывалась вертикальная скорость воды под экраном (скорость всасывания)

^ = —, (16)

Ющ

где ющ - суммарная площадь щелей, см2.

Для испытанного образца экрана ющ = 20,28 см2.

Наконец, подсчитывались коэффициент подсасывания гидроэлеватора

а = , (17)

00У0

коэффициент скорости

К = ^, (18)

^ в

и коэффициент извлечения дроби

N д

п =, (19)

NнаЧ

где Кнач = 900 - общее количество дроби, размещаемое на постели или в толще горной массы в начале каждого опыта.

Опыты по извлечению частиц золота проводились в целом по той же методике, что и с дробью. Отличие состояло в том, что использовалось всего 10 частиц преимущественно пластинчатой формы. Основные геометрические характеристики их приведены в таблице, в которой указаны и скорости витания, рассчитанные по формуле

У = 12Я^ (Рз -РвУ, (20)

в V СдюмРв ’

где W - объем частицы; юм - площадь миделева сечения частицы; рз - плотность золота, принятая равной 18 г/см3.

В конце каждого опыта с гидросмесью фиксировалась форма воронки размыва в ёмкости № 1 и её основные размеры (в плане и по глубине), а также количество и цвет дробин, оставшихся в забое.

Результаты обработки экспериментальных данных, приведены на рис. 4.

Прежде всего, обращает на себя внимание расслоение точек, полученных в опытах с ёмкостью № 2, установленной на одном уровне с ёмкостью № 1, и в опытах, в которых ёмкость

492

Рис. 4. Зависимость коэффициента извлечения n дроби от коэффициента

скорости ky.: Kv = VBC /УВИТ; п = Nизвл /Nнач • - емкость №1 на поверхности земли

+ - ёмкость № 2 на высоте 1,125 м от поверхности земли

№ 2 была поднята на высоту более 1 м. И в том, и в другом случаях точки группируются не очень тесно, что можно объяснить влиянием внешних случайных причин, а также существом явления всасывания горной массы, в математическом отношении относящегося к стохастическим процессам. При этом рост геометрической высоты нагнетания при одном и том же коэффициенте скорости приводит к увеличению коэффициента извлечения тяжелых частиц.

Анализ данных таблицы показывает, что скорости витания для рассмотренного варианта ориентирования в потоке частиц металла (плоскостью с наибольшей площадью миделева сечения, нормальной к вектору скорости воды) намного меньше вертикальных скоростей, и поэтому извлечение таких частиц совершается с большей надежностью, чем частиц шарообразной формы. Условия извлечения таких уплощенных частиц могут ухудшаться при расположении частицы своим ребром навстречу потока. Этим могут быть объяснены некоторые случаи, когда золотины оставались в ёмкости № 1.

Выводы

1. Эксперименты подтвердили возможность извлечения из россыпи крупных частиц ценных минералов большой плотности, в том числе золота, методом всасывания.

2. Степень извлечения ценного минерала напрямую зависит от коэффициента скорости в подэкранном пространстве, возрастая пропорционально величине коэффициента.

3. Испытанная конструкция всасывающего устройства позволяет более чем в 40 раз увеличить площадь эффективного всасывания минеральных частиц с одной точки, что потенциально позволяет упростить маневрирование земснаряда.

4. Конструкция всасывающего устройства допускает увеличение вертикальной скорости воды в подэкранном пространстве путем диафрагмирования щелей.

5. Испытанная конструкция экранного устройства обеспечивает более равномерное распределение градиента давления по всасывающему тракту, что способствует поддержанию достаточной транспортирующей способности потока и предотвращает выпадение тяжелых частиц в отдельных частях, на участке транспортировки до всасывающего агрегата.

6. Заметного различия в степени извлечения частиц тяжелого минерала по зонам не прослеживается, что обеспечивает равномерность проработки забоя и тем самым снижает потенциальные потери ценного компонента в процессе разработки россыпного месторождения.

7. Проведённые исследования показали, что предложенные всасывающие устройства могут применяться не только для разработки техногенных россыпей, но и для зачистки полотна разреза драг с целью уменьшения потерь золота.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лобанов Д.П., Фонберштейн Е.Г., Лешков В.Г. О целесообразности промышленного применения гид-равлических драг при разработке россыпей тяжелых металлов //Цветная металлургия,1969, № 16. С. 6-10.

2. Мамаев Ю.А., Корнеева С.И., Пуляевский А.М., Литвинцев В.С. Всасывающее устройство земснаряда. Патент РФ № 2165499 Опубл. 20.04.2001г., Бюл. № 11.

3. Мамаев Ю.А., Корнеева С.И., Пуляевский А.М., Литвинцев В.С. Всасывающее устройство земснаряда. Патент РФ № 2148692 Опубл. 10.05.2000г., Бюл. № 13.

4. Пуляевский А.М., Корнеева С.И., Литвинцев В.С. Регулируемое всасывающее устройство земснаряда. Патент РФ № 2182949 Опубл. 27.05.2002г., Бюл. № 15.

5. Пуляевский А.М., Косов В.В., Литвинцев В.С. Поворотное всасывающее устройство. Патент РФ № 2208096 Опубл. 10.07.2003г., Бюл. № 19.

6. Пуляевский А.М., Литвинцев В.С., Корнеева С.И. Всасывающее устройство земснаряда. Патент РФ № 224693 Опубл. 20.02.2005г., Бюл. № 5.

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Пуляевский А.М. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск.

Корнеева С.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Литвинцев В.С. - доктор технических наук, заместитель директора, Пономарчук Г.П. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник,

Институт горного дела ДВО РАН