На Главную страницу

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Запара Евгений Семенович, Национальный горный университет (г.Днепропетровск) Министерства образования и науки Украины, доцент кафедры горных машин.

доктор технических наук, профессор Кириченко Евгений Алексеевич, Национальный горный университет (г.Днепропетровск) Министерства образования и науки Украины, профессор кафедры горной механики;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Коломиец Валерий Сергеевич, Донецкий Национальный технический университет Министерства образования и науки Украины, старший научный сотрудник кафедры энергомеханических систем.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Восполнение существующего в Украинском Причерноморье дефицита несвязных полезных ископаемых, в первую очередь в кварцевом песке, возможно путем их добычи из месторождений шельфа Азово-Черноморского бассейна, расположенных на больших глубинах под слоем покрывающих пород, и из намывных техногенных месторождений.

Рабочие органы, использующиеся для подводной добычи несвязных полезных ископаемых, имеют недостаток вследствие того, что они предназначены для добычи полезного ископаемого с поверхности месторождения. Это требует проведения вскрышных работ, что увеличивает себестоимость добытого продукта и приводит к негативным последствиям для водной экосистемы. При добыче полезного ископаемого из-под слоя покрывающих пород с помощью заглубленного рабочего органа, оснащенного системой гидроразмыва, необходимость вскрышных работ отпадает, качество продукта за счет его разубоживания пустой породой не ухудшается, минимизируется негативное влияние добычи на экосистему. Основными конструктивными параметрами такого рабочего органа являются его рабочая длина и наружный диаметр, расстояние между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, угол наклона, количество и диаметр размывающих форсунок. Расходным параметром, определяющими эффективность добычи, является соотношение подач воды на размыв и на эжектирование. В связи с малоизученностью процессов размыва, всасывания и фильтрации воды в поддонном забое создание такого рабочего органа сталкивается с серьезными затруднениями. Существующие методы расчета его конструктивных параметров не учитывают фильтрацию воды из поддонного забоя массива с покрывающими породами и не позволяют рассчитывать параметры поддонной зоны размыва, образованной наклонной струей. Это приводит к ошибкам в расчетах, обуславливающим неэффективность процессов размыва и всасывания полезного ископаемого в поддонном забое, низкую производительность и повышенные удельные энергозатраты на добычу.

На основании вышеизложенного установление зависимостей между основными конструктивными параметрами рабочего органа, содержащего систему размыва с наклонными форсунками, от размеров поддонного забоя, фильтрации воды из него и физико-механических свойств несвязного полезного ископаемого и покрывающей породы является актуальной научной задачей.

Объект исследования – процессы размыва несвязного полезного ископаемого наклонными турбулентными водяными струями и всасывания пульпы, происходящие в поддонном забое месторождения с покрывающими породами при наличии фильтрации воды из него.

Предмет исследования – конструктивные параметры эжекторного рабочего органа с системой гидроразмыва, содержащей наклонные форсунки.

Идея диссертационной работы состоит в учете фильтрационного потока из поддонного забоя и угла наклона размывающих струй при расчете и выборе конструктивных параметров эжекторного рабочего органа с системой гидроразмыва.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем использования системного подхода в теоретических исследованиях параметров рабочего органа с помощью аналитического аппарата прикладной гидродинамики и теории фильтрации. Экспериментальные исследования осуществлялись путем изучения условий эффективного поддонного размыва несвязного грунта и всасывания пульпы, анализа и обобщения результатов измерений, проведенных на лабораторной установке. Обработка полученных данных, установление адекватности аналитических зависимостей и достоверности результатов осуществлены на ПЭВМ с использованием стандартных методов математического анализа.

Научная новизна полученных результатов.

Количество и диаметр форсунок системы гидроразмыва пропорциональны суммарному расходу воды, всасываемой рабочим органом в составе пульпы и фильтрующейся из поддонного забоя, при этом критический расход фильтрационного потока, неразмывающий несвязное полезное ископаемое, пропорционален плотности его частиц, квадрату их крупности и квадрату заглубления зоны размыва в массив, а нелинейная зависимость между углом отклонения форсунок от вертикали и концентрацией твердого в пульпе имеет максимум в диапазоне 15° -30° .

1. Впервые установлено, что длина рабочего органа должна учитывать не только толщины покрывающей породы и слоя несвязного полезного ископаемого, но и высоту его целика, которая пропорциональна критическому расходу осесимметричного фильтрационного потока.
2. Впервые установлено, что установка размывающих форсунок под углом 15° -30° от вертикали обеспечивает наилучшие размыв несвязного полезного ископаемого и подачу его к всасывающему отверстию, при этом коэффициент расширения поддонной зоны размыва пропорционален синусу угла отклонения оси форсунки от вертикали.
3. Получил дальнейшее развитие метод расчета системы размыва рабочего органа, в соответствии с которым нелинейная зависимость расстояния от размывающих форсунок до всасывающего отверстия и концентрации твердого в пульпе имеет максимум, когда это расстояние равно глубине зоны всасывания рабочего органа.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректной постановкой задачи исследований, использованием отработанных классических методов теоретических исследований, большим объемом экспериментальных данных, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных зависимостей (расхождение экспериментальных и теоретических значений при определении длины зоны размыва не превышает 18%, коэффициента расширения нижней полуструи 20%, коэффициентов ширины для нижней и для верхней полуструй – соответственно 10% и 15%), а также результатами испытаний модернизированного рабочего органа опытно-промышленной добычной установки, в ходе которых было зафиксировано увеличение производительности на 8% при отклонении достигнутого значения от расчетного 10%.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах в научных специальных изданиях, в 4 тезисах докладов на международных конференциях. По результатам диссертационной работы получен 1 патент Украины, защищенный также патентом России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа насчитывает 164 страниц машинописного текста и состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка использованных источников из 116 наименований. Текстовая часть проиллюстрирована 38 рисунками, имеет 3 таблицы и 9 приложений на 61 странице.

На основании анализа эксплуатации современных гидравлических рабочих органов сделан вывод, что для добычи НПИ из подводных месторождений с покрывающими породами наиболее приемлемым является эжекторный рабочий орган с системой разнонаправленных гидроразрыхлительных струй, ведущий добычу способом воронок. Такой рабочий орган позволяет вести селективную добычу песчаных и гравелистых грунтов из-под слоя плотных покрывающих пород без проведения вскрышных работ. Рабочий орган имеет высокие показатели работоспособности, надежности и ремонтопригодности. Основными конструктивными параметрами такого рабочего органа являются: рабочая длина L_ро, наружный диаметр D_ро, расстояние h_c между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, угол наклона, количество и диаметр размывающих форсунок.

Приведен обзор и анализ исследований подводной добычи НПИ и методов расчета гидравлических грунтозаборных и разрыхлительных устройств, выполненных Б.М.Шкундиным, Д.В.Рощупкиным, С.П.Огородниковым, А.И.Хариным, П.П.Пуховым, В.Б.Добрецовым, Г.Н.Сизовым, И.М.Коноваловым, Е.А.Кириченко, А.И.Богомоловым, Е.С.Екименковым, В.С.Коломийцем, В.А.Жученко, В.А.Раздольным, А.А.Бондаренко и др. Исследователями установлено, что максимальная концентрация гидросмеси и производительность земснаряда достигается при использовании глубинного режима всасывания грунта с использованием гидравлического рабочего органа. Известные на текущий момент методы расчета рабочих органов для работы способом воронок не учитывают фильтрацию воды из поддонного забоя массива с покрывающими породами. Это приводит к ошибкам в расчетах, обуславливающим неэффективность процессов размыва и всасывания полезного ископаемого в поддонном забое, низкую производительность и повышенные удельные энергозатраты на добычу. В результате обзора и анализа исследований и методов расчета гидравлических разрыхлительных устройств установлено, что известные методы их расчета не позволяют рассчитывать систему размыва для условий поддонного забоя при углах наклона размывающих струй, отличных от вертикали или горизонтали. В то же время из опыта придонного гидроразмыва следует, что наклонная струя обеспечивает бóльшие размеры зоны размыва, чем вертикальная или горизонтальная. Поэтому актуальным является комплекс задач по установлению зависимостей между основными конструктивными параметрами рабочего органа, содержащего систему размыва с наклонными форсунками, от размеров поддонного забоя, фильтрации воды из него и физико-механических свойств несвязного полезного ископаемого и покрывающей породы, разработке и усовершенствованию на их основе рабочих органов.

Для получения качественной картины процесса размыва НПИ проведены предварительные экспериментальные исследования, показавшие следующее. Наклонная размывающая струя истекает из форсунки и совершает работу отрыва частиц НПИ от массива (рис. 1), тем самым увеличивая длину и ширину своего распространения в массив. На конечном участке струя меняет свое направление и образует направленный в сторону донной поверхности восходящий поток. В результате взаимодействия струи с НПИ образуется зона размыва такого размера, при котором на ее границах устанавливается скорость, равная размывающей. Процесс взаимодействия струи с массивом, при котором возникли такие условия, является установившимся.

Избыток воды в зоне размыва получает выход на донную поверхность грунта посредством фильтрационного потока. При градиенте фильтрационного потока J и его скорости U меньше критических J_кр и U_кр для данного НПИ избыток воды выходит на поверхность без его фильтрационного разрушения (замкнутая зона размыва). При J>J_кр и U>U_разр происходит нарушение сплошности НПИ с образованием в массиве вертикального "канала" – грифона, по которому происходит вынос частиц НПИ потоком воды на донную поверхность (незамкнутая зона размыва).

где U₀ – скорость струи в начальном сечении;

Предложена модель взаимодействия рабочего органа, оснащенного системой наклонных размывающих форсунок, и массива НПИ с покрывающими породами. Схема потоков в поддонном забое приведена на рис. 2. В ходе проведения предварительных экспериментов установлена связь количества размывающей воды Q_p, подаваемой в зону размыва, и концентрации пульпы c на выходе рабочего органа при прочих равных условиях. Также обнаружена взаимосвязь поведения НПИ над всасывающим отверстием рабочего органа от количества подаваемой в зону размыва воды Q_p, от высоты этого слоя, физико-механических свойств НПИ и от конструктивных параметров рабочего органа (угла наклона размывающих струй и расстояния между всасывающим отверстием и размывающими струями h_c). Концентрация пульпы на выходе рабочего органа изменяется от минимального значения – при отсутствии подачи воды на размыв (Q_p=0), до максимального – в момент выхода грифона на поверхность и начала обрушения НПИ (Q_p=Q_{p max}).

Фильтрационный поток на границе "НПИ – ПП" в зависимости от типа ПП оказывает различное воздействие. Для устойчивых и пластичных ПП, у которых размывающая скорость выше, чем у НПИ, а коэффициент фильтрации ниже, поток движется вдоль границы в сторону отверстия между рабочим органом и слоем ПП и через него выходит на донную поверхность. При малой скорости фильтрационный поток не оказывает заметного воздействия на ПП.

При образовании грифона происходит размыв НПИ и ПП на их границе по направлению движения потока воды в сторону отверстия между рабочим органом и слоем ПП, что ослабляет прочность ПП и может привести к преждевременному их разрушению. Для текучих ПП фильтрационный поток вызывает размыв их подошвы, что обуславливает попадание частиц ПП в зону размыва с опускающимся НПИ и разубоживание добываемого НПИ.

где – коэффициент эффективной площади фильтрационного потока;

– плотность частиц НПИ;

– плотность воды;

d₉₀ – диаметр частиц НПИ, меньше которого по массе содержится 90 %;

h – высота слоя НПИ над всасывающим отверстием;

h_c – расстояние между всасывающим отверстием рабочего органа и началом наклонных форсунок;

L – длина поддонной зоны размыва;

где Q_э – расход воды, подаваемой к эжекторным форсункам;

– коэффициент всасывания.

Коэффициент всасывания определяется выражением:

(5)

где Q_вс – часть подаваемого на размыв расхода воды, всасываемая рабочим органом из поддонного забоя в составе пульпы.

Длина поддонной зоны размыва определяется дальнобойностью наклонной струи. Она получена на основании анализа вида зависимости для определения безразмерной осевой скорости турбулентной осесимметричной затопленной струи однородной жидкости и с учетом результатов предварительных экспериментов в виде:

(6)

где U_p – размывающая скорость для НПИ;

R – радиус начального сечения струи (радиус размывающей форсунки);

a_с – коэффициент структуры струи.

Зависимость для расчета коэффициента расширения наклонной струи в условиях поддонного забоя получена на основании анализа зависимости коэффициента расширения вертикальной струи в условиях поддонного забоя и результатов предварительных экспериментов в виде:

(7)

где a,b,m, – эмпирические коэффициенты;

Y – функция влияния угла отклонения оси струи от вертикали;

– относительная крупность частиц НПИ.

Установлено, что функцию Y можно представить в виде:

(8)

где – эмпирические коэффициенты.

Обработка данных предварительных лабораторных исследований подтвердила допущение о взаимосвязи между длиной зоны размыва L и длиной участка наклонной струи Ld . Отношение находится в зависимости от относительной крупности частиц НПИ и угла отклонения оси струи от вертикали b и определяется выражением вида:

(9)

где , и – эмпирические коэффициенты.

Тогда максимальная ширина полуструи в вертикальной плоскости определяется зависимостью:

(10)

где с – коэффициент расширения полуструи.

Анализ результатов лабораторных исследований зоны размыва в вертикальной плоскости подтвердил справедливость допущения о взаимосвязи между коэффициентом расширения полуструи в горизонтальной плоскости и коэффициентом расширения нижней полуструи. Выражение для определения коэффициента расширения полуструи в горизонтальной плоскости получено в результате теоретического исследования неустойчивого равновесия частицы грунта на образующей зоны размыва в виде:

(11)

где c_гор, c_н – коэффициенты расширения соответственно полуструи в горизонтальной плоскости и расширения нижней полуструи;

d_ср– средний диаметр частиц НПИ;

– коэффициент зажатия частиц.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям размыва НПИ наклонными турбулентными водяными струями и всасывания пульпы из поддонного забоя.

Лабораторные исследования проведены на лабораторной установке, оснащенной стандартной измерительной аппаратурой, по методикам, разработанным в соответствии со стандартными положениями.

Лабораторная установка (рис. 3) состоит из герметичного двухсекционного бака с открытым верхом и передним смотровым окном. Передняя секция бака заполнена кварцевым песком, над которым имеется слой воды. В передней секции в песке установлен рабочий орган. Он образован центральным всасывающим патрубком и системой размыва, состоящей из двух боковых форсунок с изменяемым углом наклона осей их сопел. Забор НПИ через всасывающий патрубок осуществляется с помощью гидроэлеватора. Источником воды под давлением для работы систем размыва и гидроэлеватора служит водопроводная сеть. Исследования проведены для кварцевого песка со средними крупностями 0,265 и 0,545 мм.

Рис. 3. Лабораторная установка для исследования поддонной добычи НПИ

а) общий вид; б) рабочий орган

Замеры геометрических параметров зоны размыва выполнялись линейкой, а расходы воды и пульпы – объемным методом с использованием мерной емкости и секундомера "Агат".

Эксперименты выполняли в два этапа, исследуя:

1. поддонный размыв НПИ одиночной наклонной струей;

2. всасывание размытого наклонными струями НПИ из поддонного забоя.

По результатам обработки экспериментальных данных получены численные значения эмпирических коэффициентов в зависимостях для определения критического фильтрационного расхода, коэффициента всасывания, геометрических размеров зоны размыва. Значения эмпирических коэффициентов рассчитаны на ПЭВМ в пакете MathCAD с использованием метода наименьших квадратов.

Установлено, что рациональным диапазоном для угла отклонения осей размывающих форсунок от вертикали является 15° -30° . Для указанного диапазона углов наклона определено значение коэффициента всасывания =0,019-0,022. При таких значениях обеспечиваются стабильность процессов размыва НПИ и всасывания пульпы и наибольшая концентрация НПИ в пульпе на выходе рабочего органа при неразмывании НПИ фильтрационным потоком.

Установлено, что коэффициент эффективной площади фильтрационного потока для условий начала образования устойчивого грифона при расположении размывающих форсунок под рациональным углом наклона изменялся от 0,107 до 0,134 для песка со средней крупностью частиц 0,265 мм и от 0,091до 0,131 для песка со средней крупностью частиц 0,545 мм. Для НПИ со средней крупностью частиц 0,1-1,0 мм и коэффициентом фильтрации 1× 10^-2 - 1× 10^-4 см/с при определении критического расхода фильтрационного осесимметричного потока можно использовать значение коэффициента эффективной площади =0,113.

Установлены следующие значения эмпирических коэффициентов: в зависимость для расчета длины поддонной зоны размыва a_с=0,039, в зависимость для расчета коэффициента расширения нижней полуструи при значении угла отклонения оси струи в радианах: а= -445; b=0,15; m=0,49; =0,698; = -1,256, в зависимость для расчета коэффициента расширения верхней полуструи: а=50; b=0,037; m=0,49; = -0,001; =0,115. Графическое изображение экспериментальных данных и теоретических зависимостей дальнобойности наклонной струи и коэффициента расширения нижней полуструи приведены на рис. 4, где знаками показаны экспериментальные значения, а сплошными линиями – теоретические зависимости.

Рис. 4. Теоретические зависимости и экспериментальные значения: а) длины поддонной зоны размыва; б) коэффициента расширения нижней полуструи

Установлено, что при увеличении числа Рейнольдса коэффициент расширения нижней полуструи увеличивается, а коэффициент расширения верхней полуструи уменьшается по гиперболическому закону, а при Re³ 50000 их можно считать постоянными как для нижней, так и для верхней полуструй, и зависящими только от угла наклона струи.

Анализ полученных значений осредненных коэффициентов ширины для нижней и верхней полуструй (рис. 5) показал, что с увеличением диаметра форсунок значения коэффициентов и ширины зоны размыва нелинейно возрастают, асимптотически приближаясь к постоянному значению. При диаметрах форсунок свыше 10 мм значения коэффициентов и можно считать постоянными и зависящими только от угла наклона струи.

Значение коэффициента бокового расширения струи определено для песка с =0,265 мм равным =1,139, а для песка с =0,455 мм –=1,286.

Оценка точности полученных аналитических зависимостей выполнена стандартными методами. В результате статистической обработки установлено, что при доверительной вероятности 90% ошибка теоретических значений длины зоны размыва не превышает 18%, коэффициента расширения нижней полуструи 20%, верхней полуструи 20% при доверительной вероятности 85%, коэффициентов ширины для нижней и для верхней полуструй – соответственно 10% и 15% при доверительной вероятности 90%. Полученные зависимости справедливы при условии, что подлежащим добыче материалом должен быть несвязный песок со средней крупностью 0,1…1,0 мм, должно соблюдаться равенство критериев гидродинамического подобия параметров работы рабочих органов в лабораторных и натурных условиях. При этом сохраняется гидродинамическое подобие процессов размыва и всасывания пульпы.

В четвертом разделе приведена методика расчета параметров рабочего органа для поддонной добычи НПИ, описано использование и внедрение результатов исследований, а также перспективы применения эжекторного рабочего органа для разработки погребенных месторождений НПИ.

Методика включает выполняемые по известным методикам расчеты гидроподъема и струйного насоса, расчет конструктивных параметров рабочего органа и его системы размыва (рабочая длина L_ро, наружный диаметр D_ро, расстояние h_c между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, угол наклона, количество и диаметр размывающих форсунок), выполняемых по результатам исследований.

С целью обеспечения рационального режима всасывания размытого НПИ размывающие и бурящие форсунки размещают на головке (рис. 6), вынесенной перед всасывающим отверстием рабочего органа на расстояние, которое определяется из условия нахождения зоны размыва на границе зоны всасывания рабочего органа. Угол отклонения осей размывающих форсунок от вертикали принимают равным 25° . При этом для равномерного размыва массива НПИ вокруг цилиндрического рабочего органа размывающие форсунки устанавливаются на головке таким образом, чтобы зоны размыва, образуемые смежными форсунками, пересекались в точках, соответствующих их наибольшей ширине в горизонтальной плоскости. Предусмотрено поочередное перенаправление, например, при помощи клапана, воды к бурящей форсунке при забуривании рабочего органа в массив НПИ и к размывающим форсункам – при размыве НПИ и его всасывании.

Рис. 6. Схема рабочего органа. 1 - корпус; 2 - напорная полость; 3 - пульповая полость; 4 - головка; 5 - бурящая форсунка; 6 - размывающая форсунка; 7 - поток воды; 8 - поток всасываемой пульпы

Диаметр размывающей форсунки получают из преобразованного выражения для расчета расхода жидкости, истекающей из сопла:

(12)

где – коэффициент расхода форсунки;

H_р, H_з.р. – давления воды в системе размыва и в зоне размыва;

n_ф – число размывающих форсунок.

Минимальную высоту слоя НПИ над всасывающим отверстием рабочего органа, при которой следует прекращать добычу, определяют из условия недопущения образования грифона по формуле:

(13)

Длину рабочего органа определяют следующим образом:

(14)

где h_уст – высота уступа;

h_ПП – толщина слоя ПП.

Разработанные методы конструктивных параметров расчета рабочего органа для добычи НПИ из месторождений с покрывающими породами были использованы при расчете и рабочем проектировании эжекторных рабочих органов установки щадящей добычи песка УЩДП–1 (рис. 7) в ходе ее модернизации в 2001 г. Изготовленные рабочие органы опробованы в натурных условиях на Самарском месторождении песка в июле 2001 г. в составе модернизированной установки УЩДП–1 при проведении ее приемо-сдаточных испытаний.

Рис. 7. Установка щадящей добычи песка УЩДП-1

Результаты испытаний показали, что максимальная техническая производительность каждого из двух рабочих органов составляла 135 т/час, средняя техническая производительность при отработке единичной воронки составляла 90-95 т/час. Полученные значения производительности в среднем на 8% выше соответствующих значений, полученных при эксплуатации УЩДП–1 с использованием базовых рабочих органов. При этом удельный расход электроэнергии на добычу снизился с 1,6 кВт до 1,1 кВт на тонну добытого песка. Отклонение достигнутого значения производительности от расчетного (100 т/час) не превышает 10%, что свидетельствует о правильности методов расчета.

Методы расчета конструктивных параметров рабочего органа были положены в основу "Методики расчета рациональных параметров рабочего органа для поддонной добычи несвязных грунтов из месторождений с покрывающими породами". Методика была внедрена в НТЦММ НПООО "Океанмаш" в 2001 г., в Днепропетровском речном порту и на Предприятии ЗАО "Цветмет" (г. Вольногорск) в 2004 г.

Полученные положительные результаты использования и внедрения результатов диссертационной работы позволяют считать представленный способ добычи несвязных полезных ископаемых, в том числе погребенных под слоем покрывающих пород, и реализующую его технику перспективными для разработки коренных речных, морских месторождений и намывных техногенных месторождений несвязных полезных ископаемых.

ВЫВОДЫ

Диссертация представляет законченную научно-исследовательскую работу, в которой решена актуальная научная задача установления зависимостей основных конструктивных параметров эжекторного рабочего органа, содержащего систему размыва с наклонными форсунками, от размеров поддонного забоя, фильтрации воды из него и физико-механических свойств несвязного полезного ископаемого и покрывающей породы для повышения на этой основе его производительности и снижении удельных энергозатрат.

Наиболее значительные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. Впервые расчет конструктивных параметров рабочего органа для поддонной добычи несвязных полезных ископаемых осуществлен из условия неразмывания полезного ископаемого и покрывающей породы восходящим фильтрационным потоком с обеспечением максимально возможной концентрации твердого во всасываемой пульпе.
2. Длина рабочего органа должна учитывать не только толщины покрывающей породы и слоя несвязного полезного ископаемого, но и высоту его целика над всасывающим отверстием, которая пропорциональна критическому расходу осесимметричного фильтрационного потока.
3. Установка размывающих форсунок под углом 15° -30° от вертикали обеспечивает наилучшие размыв грунта и подачу его к всасывающему отверстию, при этом коэффициент расширения поддонной зоны размыва пропорционален синусу угла отклонения оси форсунки от вертикали.
4. Получил дальнейшее развитие метод расчета системы размыва рабочего органа, в соответствии с которым установлена нелинейная зависимость расстояния от размывающих форсунок до всасывающего отверстия и концентрации твердого в пульпе, которая имеет максимум при расстоянии, равном глубине зоны всасывания рабочего органа.
5. Расхождение экспериментальных и теоретических значений с доверительной вероятностью 90% при определении длины зоны размыва не превышает 18%, коэффициента расширения нижней полуструи 20%, коэффициентов ширины для нижней и для верхней полуструй – соответственно 10% и 15%.
6. Разработана инженерная методика расчета конструктивных параметров (длина, наружный диаметр, расстояние между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, угол наклона, количество и диаметр размывающих форсунок) рабочего органа для поддонной добычи несвязных полезных из месторождений с покрывающими породами.
7. Эжекторный рабочий орган модернизированной установки УЩДП–1, спроектированный с использованием разработанной в диссертации методики расчета, обеспечил повышение производительности добычи в среднем на 8% при снижении удельных энергозатрат на 25-30%. Отклонение значения достигнутой производительности от расчетной не превышает 10%, что свидетельствует о правильности методов расчета.
8. Результаты работы внедрены в НТЦММ НПООО "Океанмаш" при проектировании эжекторных рабочих органов для модернизированной установки УЩДП–1, а также в Днепропетровском речном порту и на Предприятии ЗАО "Цветмет" (г. Вольногорск). Ожидаемый годовой экономический эффект при промышленной разработке песка установкой УЩДП–1, полученный за счет использования спроектированного по разработанной в диссертационной работе методике рабочего органа, в ценах 2001 г. составляет 23500 грн.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих публикациях:

1. Кухар В.Ю., Запара Е.С., Бондаренко А.А. Випробування технологічного обладнання для екологічно ощадливого видобутку піску з підводних родовищ \\ Науковий вiсник Нацiональноï гiрничоï академiï Украïни. – 1998. – № 2. – С. 9 – 11.
2. Кухарь В.Ю. Опыт отработки на речном полигоне элементов экологически щадящей технологии и обеспечивающих ее внедрение технических средств для подводной добычи песка \\ Геотехническая механика. Межвед. сб. науч. трудов. – 1999. – Вып. 16. – С.74–84.
3. Кухарь В.Ю. О технике и технологии экологически щадящей добычи россыпных полезных ископаемых в море \\ Науковий вiсник Нацiональноï гiрничоï академiï Украïни. – 2000. – № 6.– С.60–63.
4. Запара Е.С., Кухарь В.Ю., Бондаренко А.А. О рационализации параметров грунтозаборника для поддонной добычи песка \\ Науковий вісник Національної гірничої Академії України. – 2002. – № 5. – С. 61 – 62.
5. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Обоснование параметров лабораторной установки для изучения процессов поддонной выемки грунта \\ Збагачення корисних копалин: Наук.–техн.зб.–2002, Вип. 13(54) – С. 121 – 125.
6. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Методика экспериментальных исследований поддонного гидроразмыва несвязного грунта \\ Вибрации в технике и технологиях.–2002.–№ 5(26). – C.73–75.
7. Кухарь В.Ю. Гидродинамика процесса поддонного гидроразмыва несвязных полезных ископаемых \\ Збагачення корисних копалин: Наук.–техн.зб.–2002, Вип. 15(56). – С.109 – 116.
8. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Критерии подобия в наклонной турбулентной струе \\ Сборник научных трудов НГУ. – Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. – Т. 1, №17.– С. 520 – 524.
9. Запара Е.С., Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Определение расхода воды, фильтрующейся из поддонного забоя при добыче несвязного грунта \\ Сборник научных трудов НГУ. – 2004. – № 19, том 5. – С. 233–239.
10. Кухарь В.Ю. Критерий подобия фильтрационного потока, образованного в грунте водяной струей \\Збагачення корисних копалин: Наук.–техн.зб.– 2004.–№ 20 (61). С. 25 – 28.
11. Запара Е.С., Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. Определение коэффициента расширения наклонной струи в горизонтальной плоскости \\ Науковий вісник Національного гірничого університету.–2005.–№1.–С.63–66.
12. Добыча строительных песков и других россыпных полезных ископаемых в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна по экологически щадящей технологии \ Зиборов А.П., Кухарь В.Ю., Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.А. \\ Материалы научно-технического совещания "Экологические проблемы и особенности эксплуатации береговых объектов морехозяйственного комплекса Украины". Вестник Украинского дома экономических и научно-технических знаний. -1998.- № 2.-С.45-46.
13. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. К вопросу изучения процесса размыва грунта турбулентной водяной струей \\ Материалы международной научной конференции "Проблемы и перспективы геотехнологий в начале III тысячелетия". - Днепропетровск: НГУ.-2002.- С.31.
14. Вопрос создания технических средств для освоения намывных техногенных месторождений \ Кухарь В.Ю., Зиборов А.П., Кузьминский В.П., Франчук В.П., Запара Е.С., Бондаренко А.А. \\ Материалы международной научно-практической конференции "Проблемы обогащения руд россыпных месторождений и пути их решения". - Днепропетровск: НГУ.-2003.- С.4.
15. Бондаренко А.А., Кухарь В.Ю. О критериях подобия турбулентной затопленной наклонной осесимметричной водяной струи \\ Материалы международной научно-технической конференции "Форум горняков-2003".-Днепропетровск: НГУ.-2003.- С.13.
16. Грунтозаборное устройство. Патент України № 46197А, Бюл. № 11 от 17.11.2003 г.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве:

[4, 5, 8, 10] - постановка задач, получение зависимостей, их анализ;

[3, 6, 14, 16] - организация экспериментов, обработка и анализ данных;

[9, 13, 15] - обобщение выполненных работ, подготовка материалов на конференцию.

АНОТАЦІЯ

Кухар В.Ю. Обгрунтування параметрів робочого органу установки для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.06 - гірничі машини. Національний гірничий університет. Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності робочого органу для підводного видобутку незв'язних корисних копалин шляхом обгрунтування його конструктивних параметрів з урахуванням фільтраційного потоку та кута нахилу розмивальних форсунок.

Запропонована модель взаємодії похилого розмивального струменя та фільтраційного потоку із незв'язним грунтом. Отримано аналітичні залежності для визначення критичної фільтраційної витрати води з піддонного вибою, раціонального балансу води в вибої, характерних параметрів зони розмиву. Експериментальні дослідження на спеціально створеній лабораторній установці дозволили підтвердити теоретичні посилання та встановити емпіричні коефіцієнти в розрахункові аналітичні залежності.

Результати досліджень реалізовані у вигляді методики розрахунку параметрів робочого органу для піддонного видобутку незв'язних корисних копалин. Наведено практичне використання і впровадження результатів досліджень, а також перспективи їх застосування.

Ключові слова: ежекторний робочий орган, похилена форсунка, турбулентний затоплений водяний струмінь, незв'язна корисна копалина, піддонний вибій, покривальна порода, фільтраційний потік, експеримент, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Кухарь В.Ю. Обоснование параметров рабочего органа установки для поддонной добычи несвязных полезных ископаемых. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - горные машины. Национальный горный университет. Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена повышению эффективности рабочего органа для подводной добычи несвязных полезных ископаемых путем обоснования его конструктивных параметров с учетом фильтрационного потока и угла наклона размывающих форсунок.

В работе изучается эжекторный рабочий орган с системой наклонных форсунок, который предназначен для поддонной добычи несвязного полезного ископаемого из месторождений с покрывающими породами. Основными конструктивными параметрами такого рабочего органа являются: рабочая длина, наружный диаметр, расстояние между всасывающим отверстием и размывающими форсунками, количество, диаметр и параметры расположения размывающих форсунок. Согласно предложенной модели взаимодействия наклонной размывающей струи с массивом несвязного полезного ископаемого струя истекает из форсунки и совершает работу отрыва его частиц от массива, тем самым увеличивая длину и ширину своего распространения в массив. В результате взаимодействия струи с несвязным полезным ископаемым образуется зона размыва такого размера, при котором на ее границах устанавливается скорость, равная размывающей. Показано, что избыток воды в зоне размыва получает выход на донную поверхность грунта посредством фильтрационного потока. Обосновано, что рациональным режимом добычи несвязного полезного ископаемого из поддонного забоя является такой, при котором движение фильтрационного потока через грунт ламинарно, скорость фильтрационного потока на границе несвязного полезного ископаемого и покрывающих пород не превышает размывающую для частиц покрывающих пород, а концентрация твердого в пульпе на выходе рабочего органа максимальна. Показано, что при прочих равных условиях максимальная производительность рабочего органа достигается при расположении форсунок на границе зоны всасывания рабочего органа. Получены аналитические зависимости для определения критического фильтрационного расхода воды из поддонного забоя, рационального баланса воды в забое, характерных параметров зоны размыва. Экспериментально установлены эмпирические коэффициенты в расчетные аналитические зависимости.

Результаты исследований реализованы в виде методики расчета параметров рабочего органа для поддонного забора несвязных полезных ископаемых. Приведено практическое использование и внедрение результатов исследований, а также перспективы применения эжекторного рабочего органа для разработки погребенных месторождений песка.

Ключевые слова: эжекторный рабочий орган, наклонная форсунка, турбулентная затопленная водяная струя, несвязное полезное ископаемое, поддонный забой, покрывающие породы, фильтрационный поток, эксперимент, методика расчета.

THE SUMMARY

Kuhar V.Yu. Grounding the parameters of the working body of the facility for a subbottom mining of incoherent mineral resources. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.05.06 - Mining Machines. National Mining University, Dniepropetrovsk, 2005.

The thesis is devoted to the efficiency increase of the working body for a subbottom mining of incoherent mineral resources by means of grounding its constructive parameters and taking into account the filtrational flow and the inclination of the eroding jets.

The model of interaction of the inclined eroding jet and the filtrational flow with a massif of cohesionless soil is offered. The analytical relations for the definition of the water critical filtrational discharge from the subbottom working face, rational balance of water in the working face, characteristic parameters of the eroding zone have been obtained. Experimental investigations, carried out on the specially constructed laboratory-scale plant, have allowed confirming theoretical premises and placing empirical coefficients into estimated analytical relations.

The research results have been implemented as a technique for calculation of parameters of the working body for a subbottom mining of incoherent mineral resources. Practical usage and implementation of research results, and also the perspectives of their application ar given.

Keywords: an ejector working body, inclined injector, turbulent drowned water jet, incoherent mineral resources, subbottom working face, barings, filtrational flow, experiment, technique for calculation.

На Главную страницу

Сайт управляется системой uCoz