Обоснование технологии освоения подводных россыпных месторождений с обезшламливанием минерального сырья пульсационными потоками

В настоящее время Россия оказалась в принципиально новом положении в части формирования основ морской политики, а также реализации и защиты своих интересов в Мировом океане. Восстановление позиций России в данной области является сегодня одной из приоритетных общенациональных задач. В связи с этим, указом Президента Российской Федерации от 17 января 1997 г. была одобрена концепция Федеральной целевой программы «Мировой океан», целью которой является комплексное решение проблемы изучения, освоения и эффективного использования Мирового океана в интересах экономического развития и обеспечения безопасности страны.

В соответствии с концепцией, реализация программы должна, в частности, предусматривать «создание техники и технологий проведения глубоководных, шельфовых и придонных работ» и на «дальнейшем этапе должна быть нацелена на получение минерального сырья в промышленных масштабах».

Разведочные работы на морском дне с валовым, крупнообъемным опробованием, являются важнейшим этапом, предшествующим промышленному освоению месторождения. Одной из их целей является получение крупнообъемных проб минерального сырья (100−500т), позволяющих уточнить контуры технологических типов и сортов руд на месторождении, а также оценить в полупромышленных условиях эффективность технологических схем переработки минерального сырья и обосновать постоянные кондиции на оконтуривание данного месторождения [81]. Кроме того, на данном этапе работ представляется возможным оценить эффективность применяемых технологий морских горно-разведочных работ и надежность оборудования.

За последние 35 лет работы по изучению, поиску, разведке и оценке подводных россыпных месторождений и нерудного минерального сырья, включая техногенное сырье, проводились практически на всех акваториях, 6 омывающих территорию РФ, а также во внутренних водоемах. Большой вклад был внесен такими организациями как: НПО «Севморгеология», «Приморгеология», Якутскгеология", «Севвостгеология», «Архангельскгео-логия», «Южморгеология», ВЬЖИМоргео, ВНИИОкеангеология, институтом Океанологии РАН им. Ширшова, ВИЭМС, МГРИ, ИМГРЭ, СВТГУ, МГИ, МГТУ, СГИ, ЦНИИГРИ и др. Результатом полевых работ этих организаций явилось выявление минерагенических единиц и обнаружение целого ряда россыпных месторождений и проявлений на континентальном шельфе РФ.

В основу постановки задач и проведения аналитических исследований, составивших содержание данной диссертации, легли работы отечественных и зарубежных исследователей в области разработки технологии и технических средств для геологоразведочных и горных работ, изучения и геолого-экономической оценки при освоении месторождений шельфа: Козловского Е. А., Бубиса Ю. В., Истошина С. Ю., Глумова И. Ф., Грамберга И. С., Смолды-рева А.Я., Хворостовского С. С., Нурока Г. А., Асеева А. Г., Дробаденко В. П., Добрецова В. Б., Малухина Н. Г., Контаря Е. А., Брюховецкого О. С., Ширяе-ваБ.К., Ржевского В. В., Бруякина Ю. В., Пронкина А. П., Яблокова К. В., Суркова А. В., Хершберга Л. Б., Ивановой A.M., Ушакова В. И., Патык-Кара Н.Г., Калинина И. С., и др.

Объективный ход развития промышленных технологий в области геологоразведочных и горных работ, а также анализ состояния минерально-сырьевой базы России показывают, что в настоящее время имеются все предпосылки, позволяющее начать освоение россыпных месторождений континентального шельфа.

В результате теоретических исследований разработаны различные технические решения по созданию опытно-промышленных геокомплексов и отдельных систем, преимущественно с грунтонасосным гидроподъемом. Однако предложенные гидроподъемные установки имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются: низкая производительность, вы7 сокая удельная энергоемкость, повышенный износ оборудования, а также, значительное переизмельчение минерального сырья в процессе гидроподъема. Последнее имеет особенное значение при гидроподъеме алмазосодержащего сырья.

Кроме того, существенное значение имеет задача уменьшения затрат на транспортировку минерального сырья.

В связи с этим, в работе рассматриваются вопросы, связанные с повышение эффективности освоения подводных месторождений при использовании эжекторного грунтозабора и обесшламливания минерального сырья пульсационным колонным аппаратом для снижения затрат на его транспортировку.

Таким образом, диссертация посвящена решению актуальной задачи по разработке эффективной технологии для освоения месторождений континентального шельфа. целью работы является повышение эффективности освоения подводных месторождений за счет комплексного подхода к технологии, включающего определение максимального КПД выемочного аппарата (эжектора), оптимизации параметров процесса обесшламливания с учетом гидравлической крупности ценного компонента. основная идея работы заключается в том, что повышение эффективности освоения подводных месторождений достигается при использовании эжекторного грунтозабора и обесшламливания минерального сырья пульсационным колонным аппаратом для снижения затрат на его транспортировку. 8.

Основные задачи исследований:

— анализ работы оборудования для подводного грунтозабора с увеличенной глубиной всасывания и эффективности его применения;

— аналитическое изучение зависимостей к.п.д. и относительного коэффициента напора эжектора от коэффициента эжекции при различных значениях основного геометрического параметра с учетом и без учета остаточного напора активного потока;

— анализ работы секционированных колонных аппаратов с пульсаци-онным перемешиванием фаз;

— проведение экспериментальных исследований пульсационной колонны в режиме управляемого разделения песчано-глинистых фракций;

— выявление на основании экспериментальных исследований зависимостей изменения предельной удельной производительности колонны от частоты и амплитуды пульсации, а так же, расходов промывной воды и сжатого воздуха;

— установление зависимостей изменения величины потери напора в колонном аппарате;

— проведение экспериментальных исследований по определению влияния формы частиц полезного компонента на их эквивалентный диаметр;

— разработка технологических схем освоения подводных месторождений. методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы аналитический и комплексный методы исследований, включающий анализ отечественной и зарубежной научно-технической информации по к.п.д. эжекторного грунтозабора, а также теории и практике применения секционированных колонных аппаратов с пульсационным перемешиванием и 9 гидродинамике взвесенесущего потока, математическое моделирование на ЭВМ, аналитические и экспериментальные исследования, производившиеся с использованием теории планирования экспериментов и методов статистической обработки их результатов.

Защищаемые положения, разработанные автором.

1. Степень эффективности эжекторного грунтозабора определяется не только формой передачи энергии активного потока (от силового насоса) пассивному (эжектируемому) в самом аппарате, но и последующим технологическим процессомпри этом КПД может достигать 30%.

2. Максимальная удельная производительность пульсационной колонны достигается при минимальном расходе промывной жидкости и максимально возможной амплитуде колебаний, величина которой зависит от частоты пульсации.

3. Выбор размера граничного зерна при обесшламливании минерального сырья в пульсационной колонне должен основываться на гидравлической крупности ценного компонента, которая зависит от ряда факторов, в том числе и от формы минеральных частиц, определяемой их размером по трем взаимно-перпендикулярным осям и двум коэффициентам, характеризующим относительные площадь и толщину частицы. научное значение работы заключается в аналитическом обосновании максимального к.п.д. эжекторного грунтозабора в условиях континентального шельфа и разработке методики инженерного расчета конструктивных параметров колонных аппаратов с пульсационным перемешиванием фаз. достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, а так же достаточной сходимостью их резуль.

10 татов. Разработанные положения подтверждены при проектировании и испытаниях опытно-промышленной установки предназначенной для комплексной переработки наносов очистных сооружений ливнесточной системы.

Научная новизна результатов работы:

1. Получена интегральная огибающая максимальных КПД кольцевого эжектора различных типоразмеров с учетом остаточного напора активного потока, которая имеет абсолютный максимум КПД эжектора 30%.

2. Установлены аналитические зависимости для определения удельной производительности пульсационной колоны для режима управляемой классификации при различных условиях ее разгрузки.

3. Выявлена аналитическая зависимость величины потери напора в пульсационной колоне от конструктивных и эксплуатационных параметров пульсационной колоны.

4. Установлена зависимость гидравлической крупности минеральных зерен от их формы.

5. Получены аналитические зависимости для расчета конструктивных параметров верхнего сливного конуса пульсационной колонны позволяющие минимизировать потери полезного компонента в процессе обесшламлива-ния.

Практическая ценность:

1. Разработаны технологические схемы для освоения россыпных месторождений шельфа в условиях РЭП с применением эжекторного грунтозабора, пульсационной колонны для обесшламливания и загрузочного аппарата для высоконапорного гидротранспортирования п.и. с высокой концентрацией.

2. Разработана методика расчета и статистической обработки гидравлической крупности полезного компонента с учетом формы минеральных зе-' рен.

3. Предложен инженерный метод расчета для конструирования пульсацион-ных колон. апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на второй международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX—XXI вв.еков», международных конференциях «Новые достижения в науках о Земле» в 1998;2002гг.

Реализация результатов работы.

Эффективность предлагаемой технологии крупнообъемного опробования с использованием эжекторной установки были подтверждены при испытаниях в Голубой бухте Черного моря на НИС «Акванавт». Кроме того, результаты работы использованы при разработке технологического регламента на проектирование ГРР по крупнообъемному опробованию морских алмазоносных россыпей. публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных работ, в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.

ВЫВОДЫ.

1. Предложены новые эффективные технологические схемы для освоения подводных россыпных месторождений с обесшламливанием минерального сырья.

2. Разработана методика инженерного расчета конструктивных и эксплуатационных параметров пульсационного колонного аппарата для режима классификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертации приведены разработанные автором теоретические и практические положения, которые в совокупности можно квалифицировать как решение научно-технической задачи по обоснованию технологии эффективного освоения подводных месторождений с использованием эжекторного грунтозабора и снижения объема транспортируемого сырья при его обесшламливании в пульсационной колонне.

Основные научные и практические выводы, полученные в результате завершенных исследований заключаются в следующем:

1. Аналитически обоснована эффективность эжекторного грунтозабора с учетом остаточного напора рабочего потока.

2. Установлен абсолютный максимум интегральной огибающей максимальных КПД для кольцевых эжекторов различных типоразмеров с учетом и без учета остаточного напора активного потока.

3. Аналитически установлено, что различная интерпретация физической сущности процесса эжектирования и напорного перемещения смешанного потока позволяет оценить КПД одного и того же эжекторного аппарата в технологической цепи добычного комплекса с разницей в 710%.

4. Дано экспериментальное и аналитическое обоснование по выявлению оптимальных параметров работы пульсационной колонны в режиме управляемого разделения песчано-глинистых фракций.

5. Установлена аналитическая зависимость производительности пульсационной колоны по промытым пескам от конструктивных и эксплуатационных параметров аппарата, а также от условий его разгрузки.