Экспериментальные исследования и обоснование целесообразности применения гидромониторов ГД-300 на разрезах Кузбасса

Анализ объемов вскрышных пород, разрабатываемых средствами гидромеханизации на угольных карьерах Кузбасса, показывает тенденцию их сокращения в последние годы [6, 7, 8]. Одной из основных причин этого следует считать повышение категории трудности пород для их разработки средствами гидромеханизации, на размыв которых требуется применение высоконапорных гидромониторных струй [9]. Учитывая, что в ближайшие годы в Кузбассе будут вводиться в эксплуатацию новые участки месторождений, в частности Сартакинский-2, перекрытые мощными четвертичными отложениями, разработка которых мощным экскавационным оборудованием затруднена, требуется дальнейшее развитие гидромеханизации. Опыт других регионов страны показывает, что в таких случаях гидромеханизация обеспечивает высокую экономическую эффективность [10-15].

Выполненный анализ [8] показывает, что в настоящее время на разрезах Кузбасса применяются в основном гидромониторы ГМД-250М с насадками диаметром 100 и 110 мм, которые могут обеспечить расход воды на разработку породы до 2000 м3/ч. Один такой гидромонитор не может обеспечить обычные сезонные объемы разработки вскрышных пород. Поэтому для разработки пород применяют два и более рабочих гидромониторов, работающих параллельно, или несколько отдельных насосногидромониторных установок. Это приводит к увеличению числа обслуживающего персонала и, естественно, влияет на себестоимость разработки.

Испытания

По заказу ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» разработаны и изготовлены гидромониторы ГД-300 (ОАО «Завод Гидромаш», г. Новокузнецк) и Т-521 (ООО «Юргинский машзавод», г. Юрга). Разработаны программы и согласованы с Ростехнадзором методики испытаний двух гидромониторов ГД-300 в промышленных условиях разреза «Кедровский» (рис. 1). Одновременно были проведены испытания гидромонитора Т-521 на разрезе «Талдинский».

Обе модели имеют большие по сравнению с ГМД-250М проходные сечения проточных каналов и диаметры насадок. Для них предусматривается использование насадок диаметром 125…175 мм, что позволяет получить расход воды до 5000 м3/ч в зависимости от напора, т.е. в два с лишним раза больше расходов гидромониторов ГМД-250М. Результаты испытаний позволяют однозначно утверждать, что эффективность разработки пород такими гидромониторами существенно выше, по сравнению с гидромониторами ГМД-250М, а технико-экономические показатели работы гидромониторно-землесосных комплексов значительно улучшаются. Гидромонитор

Рис. 1. Гидромонитор ГД-300 производства ОАО «Завод Гидромаш»на разрезе «Кедровский»

отвечает требованиям нормативных документов, поэтому Ростехнадзором выдано разрешение на применение на открытых горных работах.

Для обоснования целесообразности использования таких гидромониторов с целью повышения эффективности гидромеханизированной разработки вскрышных пород был произведен комплекс научных исследований, направленных на выявление их эксплуатационных характеристик, позволяющих произвести оптимизацию параметров технологических схем гидромониторно-землесосных комплексов с целью снижения затрат на разработку вскрышных пород.

Основными эксплуатационными параметрами гидромониторов, как известно, являются напор на входе (или перед его насадкой) и расход воды, которые определяют режим его работы и взаимосвязаны между собой. При изменении напора на входе в гидромонитор меняется и расход воды. Каждый гидромонитор может иметь бесконечное множество режимов работы в зависимости от напора, создаваемого на входе в него. Совокупность всех возможных режимов работы гидромонитора, т.е. численные значения напора и расхода гидромонитора в конкретных условиях эксплуатации (при определенной насосной станции, создающей напор воды на входе в гидромонитор) отображают конкретный или действительный режим работы гидромонитора. При этом надо учитывать, что для каждой насадки имеется оптимальный напор, при котором удельный расход будет минимальным.

Конечной целью эксплуатационных расчетов насосно-гидромониторных установок является определение действительных режимов работы насосов и гидромониторов. Для этого, помимо напорных характеристик насосов и трубопроводов, необходимо иметь напорную характеристику гидромонитора, которая представляет собой квадратичную параболу, проходящую через начало координат [1], и описывается зависимостью

H г_М= R гм Q \ (1) где Н_гм - суммарный расход удельной энергии при движении воды в гидромониторе, называемый его сопротивлением, м; ^_м -обобщенный коэффициент сопротивления гидромонитора, с²/м⁵; Q - расход воды через гидромонитор, м³/с.

В процессе экспериментальных исследований напорных характеристик гидромонитора в промышленных условиях филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Кедровский угольный разрез»     были получены численные значения обобщенных коэффициентов              сопротивления гидромониторов ГД-300 при различных диаметрах используемых насадок. Испытания производились с насадками диаметром 118, 125,  140 и 160 мм. При этом значения обобщенных коэффициентов сопротивления R составили соответственно 518, 399, 276,5 гм и 168,5. На рис. 2 показаны монтажная схема первичного прибора, а, и общий вид расходомера, установленного на подводящем трубопроводе, б.

L - расстояние между датчиками а )

б )

Рис. 2. Монтажная схема первичного прибора, а, и общий вид расходомера, установленного на подводящем трубопроводе, б

Обобщенный

сопротивления

R _гм

коэффициент характеризует

сопротивление гидромонитора H _гм , м, которое представляет собой полный расход удельной энергии водой при движении ее в каналах гидромонитора и равно сумме потерь напора в самом гидромониторе h _гм , м, потерь

4Q

V нс    л _{d н2с} .

С учетом (7) получаем

H гм

kг +

0,0827 ^ нс +1

d н ⁴ с

Q ² .

напора в насадке h , м, и динамического

Таким образом, зависимостью (1)

в соответствии с

напора H _д , м, на выходе из насадки, т.е.

0,0827 ^ нс +1

^H гм   ^h гм ^{+ h} нс ^{+ H} д ^.

В свою очередь hгм   kгQ2 ;

h= р нс     нс

_{V н}2_с 2 g

;

H д

2 нс

2g , ,

d ⁴ нс

.

Учитывая, что величина потерь напора в самом гидромониторе, определяемая коэффициентом k _г , пренебрежимо мала по

где   k _г  – коэффициент потерь напора в

гидромониторе; Q – расход воды через гидромонитор, м³/с; _нс – коэффициент

гидравлического сопротивления насадки;

V _нс – скорость вылета струи из насадки, м/с.

С учетом (3), (4) и (5) зависимость (2) преобразуется к виду

Hгм  kгQ2

з нс2 1 Vнс 2g

Выразим V _нс в уравнении (6) через расход воды Q , м³/с, и диаметр насадки d _нс , м,

сравнению с динамическим напором воды на выходе из насадки, зависимость (9) можно привести к виду гм k dнс4 , (10) где k – эмпирический коэффициент.

Обработка экспериментальных данных позволила установить аналитическую зависимость обобщенного коэффициента сопротивления гидромонитора ГД-300 от диаметра применяемых насадок [2] (рис. 3) и численное значение эмпирического коэффициента k , которое оказалось равным 0,10, т.е.

R гм 0,10 d нс ⁴ . (11)

Величина относительной ошиб(к6и) при расчете по установленной полуэмпирической зависимости составляет 3,82 %, среднеквадратическое отклонение – 10,31 %, а

Рис. 3. Аналитическая зависимость изменения обобщенного коэффициента сопротивления гидромонитора ГД-300 от диаметра применяемых насадок

коэффициент вариации всего 3,0 %, что вполне удовлетворительно для расчетов такого рода [3].

После выбора насадок производят определение и анализ действительных режимов работы оборудования насосногидромониторной установки [4]. Если режимы работы не удовлетворяют каким-либо требованиям, предъявляемым к ним, то выбор насадок надо скорректировать, увеличивая или уменьшая их диаметры.

Если с помощью изменения диаметра насадок невозможно получить желаемый режим работы гидромониторов, то необходимо изменять структуру насосных станций, то есть нужно применять другие типы насосов или их количество в последовательном и параллельном соединении [5].

Блок-схема алгоритма определения диаметра насадок гидромониторов с учетом режима работы насосной станции представлена на рис. 4.

Оценка эффективности применения новых гидромониторов

Гидромеханизированный способ отработки вскрышных пород на разрезе «Краснобродский» применяется на Новосергеевском поле (участок «Разген»), расположенном в северо-западной части Прокопьевско-Киселевского геологоэкономического района Кузбасса. Породы Краснобродской свиты это суглинки и серые супеси с зеленоватым, голубоватым, коричневым оттенками, пластичные, иногда запесоченные, с охристыми пятнами гидроокислов железа горизонтально и косослоистые. В породах свиты, особенно у подошвы, значительна примесь песчаного и гравийного материала. Общий объем рыхлых отложений в границах участка гидромеханизации составляет 78 млн м3. С учетом недобора и существующих навалов общий объем рыхлых отложений, подлежащих удалению гидромеханизированным способом, равен 68 млн м3 (87 %). По трудности разработки рыхлые четвертичные отложения относятся к V группе. Мощность наносов на участке гидромеханизации составляет от 5 до 25 м. Годовая мощность участка гидромеханизации 2000 тыс. м3 наносов.

Проведенные расчеты показали, что в условиях работы гидромониторноземлесосного комплекса разреза «Краснобродский» необходимо заменить два гидромонитора ГМД-250М с насадками 110 мм на один ГД-300 с насадкой 160 мм.

С целью определения экономической эффективности расчет затрат на систему водоснабжения произведен на одну гидротранспортную установку. Так для разреза «Краснобродский» эффективность удваивается, т.к. проектом предусматривается эксплуатация двух гидротранспортных установок. В соответствии с вышепредставленными расчетами сравнение затрат осуществляется по двум вариантам: на обеспечение работы двух (в работе) гидромониторов ГМД-250М с насадками диаметром 110 мм и одного (в работе) гидромонитора ГД-300 с насадкой 160 мм. Результаты расчета экономической эффективности приведены в табл.1.

В результате определения диаметра насадок гидромониторов с учетом режима работы насосной станции, стало известно значение величины действительного напора воды перед гидромонитором H _гмд 191,7 м . Учитывая коэффициент потери напора в гидромониторе (для гидромонитора ГД-300 – k _г 26, 6 ), действительный расход воды гидромонитора Q _гмд 3780 м³/ч и напор перед каждым гидромонитором H гмд 191,7 м, можно установить фактическую величину потерь напора в нем

Начало тм

СЗ/ тм/

Конец

Значение Л больше 1?

Ввод исходных данных:

^м? D_M, L₃, D₃, 5гм1; 6гм2

нет

Расчет

Определяем

Расчет

,2

С

Расчет

,2

,2

Расчет

Вывод результатов

Расчет ^=^^/3600

^piD ■ Р'

Определяется количество гидромониторов

N= Qp/Q™

Выбор стандартного ^нс.р

Графически вычитая из напорной характеристики Я_с напорную характеристику магистрального водовода Я_см, определяем Янс.пр - напорную приведенную характеристику насосной станции

Графическим методом определяется значение Яр и величина 0м] и 0гм2

Графическим методом определяется 8 величина напора Н_р по расчетной подаче насосной станции Q_p

^нс.рл' 4

^НС.р ~ i

Расчет

' = Н см ¹¹ гдм ' ^Лсм V

Расчет

Нci =Hrpi+Rcpi Q2 + НГ31 +

Я_г =0,0827 ^v 7^е +к гм "            j 4         ।

“нс

Я_гм =0,0827 ^v 7^с7 +Я гм ’            ,4 г

“нс

Rcpi ^“р1'

O,O827(l+U/)0™,'

Ир ~^/

__

Расчет

( L ^см= ^м —+ СМ М у-х ^^^м

___I__________________

Расчет _________

0,0827(1 + 5„с)С^ «р- ^-*гбр

Рис. 4. Блок-схема алгоритма определения диаметра насадок гидромониторов с учетом режима работы насосной станции

Таблица 1

Результаты расчета экономической эффективности

Затраты на гидромониторноземлесосный комплекс	Существующий вариант гидрокомплекса с двумя ГМД-250М		Предлагаемый вариант гидрокомплекса с одним ГД-300
	объем инвестиций, тыс. руб.	годовые эксплуатационн ые расходы, тыс. руб.	объем инвестиций, тыс. руб.	годовые эксплуатационные расходы, тыс. руб.
На одну гидротранспортную установку ГР-4000/71	5695,23	2085,855	3944,14	1040,81
Для разреза «Краснобродский» при двух гидротранспортных установках	11 390,46	4171,71	7888,28	2081,62
Экономический эффект для разреза «Краснобродский»	-	-	3502,18	2090,09

Параметры технологических схем гидромониторно-землесосного комплекса с гидромонитором ГД-300 для условий разреза «Краснобродский»

Наименование технологического параметра Обозначение и величина Действительный напор, развиваемый гидромонитором, мм вод. ст. Нд = 159,7 Часовая производительность забойной гидротранспортной установки по гидросмеси по твердому, м3/ч Qp = 540 Сезонная производительность гидроустановки (участка), тыс.м3/год 2070 Высота разрабатываемого уступа, м h = 20 Коэффициент приближения гидромонитора к забою ε = 0,4 Безопасное расстояние от гидромонитора до забоя, м lmin = 8 Шаг передвижки гидромонитора, м S = 21 Длина рабочего участка струи гидромонитора, м Lp = 37 Ширина заходки гидромонитора, м А = 46 Ширина разрабатываемого блока, м l = 230 Длина блока, разрабатываемого на одно положение забойного зумпфа, м L = 460 Глубина забойного зумпфа, м hз = 6 Ширина и длина забойного зумпфа (не менее), м α ≈ b = 5 Суммарная длина фронта, отрабатываемая за сезон одной гидротранспортной установкой, м Lф = 900 Скорость подвигания фронта работ на гидроучастке, м/сезон vф = 230 hг  kг Qгмд/36002

2,6 3780/3600 2  29,33 м

и        напор        на        размыв

H H h 191,7 29,33  162 м.

н      гмд г

Результаты исследований позволяют обосновывать     основные     параметры технологической схемы отработки забоя гидромонитором ГД-300, а учитывая величину

сезонной производительности 2070 тыс. м3/год, параметры блока, их количество и скорость подвигания фронта горных работ за сезон.

Рекомендуемые для условий разреза «Краснобродский» параметры технологических схем гидромониторноземлесосного комплекса с гидромонитором ГД-300 приведены в табл. 2.

Таблица 2

ВЫВОДЫ

Результаты выполненных исследований показывают, что определенные экспериментально напорные характеристики гидромониторов ГД-300 и установленные закономерности изменения основных параметров насосно-гидромониторных установок, позволяют оптимизировать технологические схемы гидромониторноземлесосных комплексов и тем самым существенно понизить себестоимость гидровскрыши и улучшить экономические показатели угледобычи.

Разработанные авторами рекомендации по эксплуатации оборудования обеспечивают согласование параметров систем водоснабжения и гидротранспортирования гидромониторно-землесосного комплекса разреза «Краснобродский». Расчет экономической эффективности показал, что замена гидромониторов ГМД-250М на ГД-300 для обеспечения работы гидротранспортной установки разреза «Краснобродский» обеспечивает сокращение объема инвестиций на 3502,18 тыс. руб. и уменьшение годовых эксплуатационных расходов на 2090,09 тыс. руб.