Experimental studies and rationale for the use of jetting DG-300 on the cuts of Kuzbass
Автор: Protasov Sergey I., Poklonov Daniil A.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Разработка месторождений полезных ископаемых
Статья в выпуске: 2, 2016 года.
Бесплатный доступ
The results of experimental studies of the new jetting DG-300, on the basis of which set of generalized analytical dependency jetting resistance ratio of the diameter of nozzles used and developed an algorithm for determining the diameter of the jetting nozzles, taking into account the mode of operation of the pumping station. Application of new jetting improves performance and efficiency jetting.
Cuts of kuzbass, hydromechanization, jetting test
Короткий адрес: https://sciup.org/140215863
IDR: 140215863
Текст научной статьи Experimental studies and rationale for the use of jetting DG-300 on the cuts of Kuzbass
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 гМ= R гм Q \ (1) где Нгм - 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 н2с 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? DM, 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 Яс напорную характеристику магистрального водовода Ясм, определяем Янс.пр - напорную приведенную характеристику насосной станции
Графическим методом определяется значение Яр и величина 0м] и 0гм2
Графическим методом определяется 8 величина напора Нр по расчетной подаче насосной станции Qp
^нс.рл' 4
^НС.р ~ i
Расчет
' = Н см 11 гдм ' Лсм V
Расчет
Нci =Hrpi+Rcpi Q2 + НГ31 +
Яг =0,0827 v 7е +к гм " j 4 ।
“нс
Ягм =0,0827 v 7с7 +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»
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.