Виды горных и строительных работ, выполняемых средствами гидромеханизации

УДК 532

И.М. Ялтанец

ВИДЫ ГОРНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ,

ВЫПОЛНЯЕМЫХ СРЕДСТВАМИ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ

Приведена краткая историческая справка о гидравлическом способе разработки месторождений. Рассмотрены работы, выполняемые плавучими землесосными снарядами, и приведены способы увеличения глубины разработки обводненных месторождений. Дана краткая характеристика земснарядов с различными грунтозаборными устройствами.

Ключевые слова: гидромеханизация, разработка месторождений, глубина разработки, схемы разработки, пневматические камерные насосы, эжектор.

Только с помощью абстракции теоретического мышления горняки могут отвлекаться от случайных факторов, от случайных связей в изучаемых явлениях, могут проникнуть в их глубину и установить объективные закономерности, лежащие в основе изучаемых явлений.

Академик АН СССР, РАН В.В. Ржевский

^"Гидромеханизация - это тот способ ведения горных и строительных работ, который предопределяет высокий уровень механизации производственных процессов, высокую интенсивность ведения работ при сравнительной низкой стоимости разработки обводненных и подводных месторождений и попутного обогащения (фракционирования) горной массы, и высокое качество возводимых технических сооружений.

Гидромеханизация широко применяется на вскрышных работах, добыче строительных материалов, разработке россыпных месторождений, при строительстве и углублении судоходных путей, в гидротехническом и транспортном строительстве, в промышленном и гражданском строительстве, в мелиорации и водном хозяйстве, при обустройстве нефтяных и газовых месторождений и многих других отраслях.

Гидравлический способ разработки месторождений известен с древних времен. В России упоминания об этом способе разработки относятся к 1800 г., однако тогда он применялся в основном на золотоносных приисках при наличии естественного напора воды и естественных уклонов для самотечного (безнапорного) гидравлического транспорта. Наиболее бурное развитие гидромеханизации произошло в 30, 40 и 50-х годах. Несмотря на многообразие структур гидромеханизированных предприятий в народном хозяйстве бывшего Советского Союза определяющую роль в то время, в основном, играли гидромеханизированные организации трех министерств - это: Союзная контора «Монтажгидромеханизация», основанная в 1936 г. Минмонтажстроя; хозрасчетное Бюро «Г идромеханизация», основанное в 1938 г. Минтрансстроя; трест «Энергогидромеханизация», основанный в 1946 г. Минэнерго, а также

многие другие тресты и конторы, выполнявшие большие объемы различных горных и строительных работ.

Подразделения Минмонтажстроя (~2003 г.) и Минэнерго (~2005 г.) стали самостоятельными организациями в форме ЗАО, ОАО, ООО, а подразделения Минтрансстроя, в основном, объединены в Компанию, которая в настоящее время называется ООО Компания «Трансгидромеханизация».

Гидромеханизация является одним из тех направлений в открытых горных работах и строительстве различных сооружений, которое обеспечивает минимальные трудовые и денежные затраты и значительное выполнение требований по охране окружающей природной среды. На территории России существует очень много видов работ, выполнение которых возможно только с использованием средств гидромеханизации. К этим работам относятся:

- разработка обводненных песчаных и песчано-гравийных месторождений;

- переработка песчано-гравийных смесей;

- дноуглубительные работы на реках и озёрах, в портах;

- очистка водоёмов и малых рек в черте города;

- разработка обводненных сапропелевых месторождений;

- намыв гидротехнических сооружений (плотин, дамб, перемычек и

т.д.);

- намыв площадей, полотна автомобильных и железных дорог в труднодоступных (обводненных) местах для других видов оборудования (экскаваторно-автомобильных, экскаваторно-

железнодорожных и экскаваторноконвейерных комплексов);

- разработка и переработка россыпных песков;

- транспортирование отходов с обогатительных фабрик в хвостохра-нилища.

Все эти виды горных и строительных работ, в основном, выполняется с применением плавучих землесосных снарядов.

В СССР земснаряды получили развитие с 30-х гг. прошлого столетия.

Гидромеханизированный способ производства горных и земляных работ с помощью плавучих землесосных снарядов в последние годы находит все большее распространение. Расширяются области при-менения этого способа производства, который охватывает новые регионы - от северозападных областей до Западной Сибири и Дальнего Востока.

Проектированием и изготовлением земснарядов занимаются, в основном, ППП «Спецгидротехника», ОАО «Коммерческий центр, транспорт и лес» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Промгидроме-ханизация» (г. Москва), Цимлянский завод компании «Трансгидромеханизация», Миасский, Рыбинский заводы и ООО «НПО «Гольфстрим» (г. Москва).

С целью увеличения глубины отработки обводненных песчаных и песчано-гравийных месторождений специалистами Московского государственного горного университета (МГГУ) и ООО «Гольфстрим» ведутся научные и лабораторные исследования влияния глубины погружения грунтовых насосов на земснарядах на консистенцию гидросмеси, расход электроэнергии и глубину отработки месторождения с последующим изготовлением земснарядов с по-

Район Сухие Частично-обводнены Полностью обводнены

Северный 33,3 47,2 19,3

Северо-Западный 48,5 48,5 3,0

Центральный 36,7 21,1 42,2

Поволжский - 13 87,0

Северо-Кавказский 44,4 22,2 33,4

Уральский 4,6 22,7 72,7

Западно-Сибирский 11,8 11,8 76,4

Восточно-Сибирский 18,2 27,3 56,8

В целом по России 25,4 24,6 50,0

гружным грунтовым насосом [3, 4]. С использованием таких земснарядов глубина отработки месторождений достигает 30-35 м (рис. 1, 2).

По данным литературных источников % песчаных и песчано-гравий-ных месторождений обводнены [6]

Потребность в песке, гравии и щебне для строительных работ постепенно растет. Поэтому значительные площади сельскохозяйственных, лесных и других угодий уже отчуждены и отчуждаются под карьеры для добычи песчаногравийных смесей (ПГС).

Большая часть таких месторождений находится ниже уровня подземных вод и не может быть отработана экскаваторным способом. Отработка таких запасов обычно осуществляется землесосными снарядами, которые из-за ограниченной по техническим возможностям грунтовых насосов, глубина отработки не превышает 15-20 м.

Основываясь на многолетнем опыте создания новой техники для разработки глубокозалегающих месторождений твердых полезных ископаемых способом СГД (скважинная гидродобыча) для разработки обводненных месторождений сотрудниками НПЦ «Геотехнология» разработаны мощные гидроэлеваторы, позволяющие поднимать с боль-

ших глубин валунно-галечный материал с размерами в поперечнике от 150 мм до 250 мм. К настоящему времени в НПЦ «Геотехнология» освоено производство гидродобычных установок (земснарядов) УГБ, с производительностью по воде от 590 до 1250 м3/ч, глубиной разработки 10, 15, 22, 36 и до 50 м. Эти земснаряды при одинаковой производительности (150-200 м3/ч) по твердому с серийно-выпускаемыми земснарядами за счет замены грунтового насоса с массой 9-12 т на гидроэлеватор с водяным насосом массой 1-4 т стоят в 5-7 раз дешевле (6 млн руб.), чем серийно выпускаемые земснаряды (31-40 млн руб.) (рис. 3) [2].

Наиболее оптимальным, на наш взгляд, решением вопроса увеличения глубины разработки, повышения концентрации гидросмеси и снижения энергоемкости процесса добычи несвязных полезных ископаемых, в ряде случаев может быть применение грунтовых пневматических камерных насосов (ПКН), обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с грунтовыми погружными и низконапорными насосами. Насосы ПКН можно отнести к классу гидростатических и пневматических насосов одновременно, т.к. всасывание гидросмеси в погружные камеры насоса происходит за счет внешнего

Рис. 1. Схема отработки уступа плавучим земснарядом с погружным грунтовым насосом без разбивки его на ярусы: Ну - высота разрабатываемого уступа; Нн - высота надвойной части уступа (менее 4-12 м. в зависимости от типа земснаряда); Нп - высота подводной части уступа (до 30 м. в зависимости от типа земснаряда); Zп - глубина погружения грунтового насоса; 1 - рама земснаряда; 2 - всасывающий трубопровод земснаряда; 3 - погружной грунтовым насос; 4 - корпус земснаряда; 5 - надстройка; 6 - напорный трубопровод; 7 - звено плавучего пульпопровода; 8 -гидромонитор

Рис. 2. Схема отработки месторождения двумя уступами: Ннл.у. - высота надводной части левого уступа; Нп.1.у.. - высота подводной части первого уступа; Ну1 - высота первого разрабатываемого уступа; Ну2 - высота второго разрабатываемого уступа; Нп.и.к. - мощность полезного ископаемого карьера; Zп - глубина погружения грунтового насоса; 1 - рама земснаряда; 2 - всасывающий трубопровод земснаряда; 3 - погружной грунтовый насос; 4 - корпус земснаряда; 5 - надстройка; 6 - напорный трубопровод; 7 - звено плавучего пульпопровода; 35-45 - угол откоса нерабочего уступа; 55-65 - угол откоса рабочего уступа

гидростатического давления воды, а подача гидросмеси на поверхность происходит за счет работы сжатого воздуха [1]. Разработка залежи (донных отложений, сапропеля) может производиться пневматическими камерными насосами производительностью до 600 м3/ч с естественной влажностью (с плотностью уп =

1300-1900 кг/м ) и глубиной разработки до 200 м.

Рабочий цикл такого насоса может быть разделен на три фазы:

Первая фаза - наполнение камеры ПКН гидросмесью под действием внешнего гидростатического давления жидкостью на глубине.

Вторая фаза - опустошение камеры и перекачка с помощью сжатого воздуха подаваемого в верхнюю часть камеры.

Третья фаза - сброс сжатого воздуха из пустой камеры и подготовка к первой фазе [1]. Принцип работы ПКН фирмы РКЕиМА показан на рис. 4.

Для обеспечения непрерывности процесса всасывания и подачи гидросмеси на поверхность, дистрибьютер воздуха работает поочередно с тремя цилиндрами, производя до 3-х циклов в каждую минуту. Стоимость насоса ПКН Итальянской фирмы РКЕиМА,

Рис. 3. Схемы расположения узлов основных моделей гидродобычных установок серии УГБ:

1 — корпус, состоящий из набора серийных понтонов (боковых (Б) и поперечных (П)); 2 — рубка управления;. 3 — портальная рама; 4 — грузоподъемная лебедка для спуско-подъемных операций; 5 — погружной гидроэлеваторный снаряд с подводным гидромонитором; б — насосный агрегат; 7* — напорный шарнирный водовод; 8* — напорный шарнирный пульпопровод; 9* — папильо-нажные лебедки с отклоняющими устройствами с ручным или элек троприводом; 10* — вспомогательный вакуумный насос для заливки основного насоса; — энергетическое оборудование; 12* — палубный гидромонитор; позиции, помеченные * на схемах не показаны

включая распределитель воздуха, составляет от 60 000 до 600 000 ЕВРО в зависимости от производительности и вида распределителя.

С ростом глубины погружения камер растет и внешнее гидростатическое давление. Поэтому создание небольшой разреженности в камере на глубине 5-10 м создает необходимый перепад давлений, способствующий всасыванию грунта даже без его рыхления. Подача породы к всасывающему патрубку обеспечивается за счет погружения ГЗУ насоса в толщу породы под собственным весом по вертикали или за счет усилия папильонажных лебедок по горизонта-

Рис.4. Принцип работы погружного пневматического камерного насоса ПКН: 1 - цилиндрическая камера, 2 - всасывающий патрубок, 3 -входной клапан,

4 - труба подачи и сброса воздуха,

5 - трубопро-вод подачи пульпы

ли. В связи с тем, что насос работает в 3-х стадийном режиме, для увеличения

производительности насоса ПКН и снижения энергетических затрат, сразу три камеры объединяют в единый блок, подключенный к общему ресиверу (распределителю воздуха), который в автоматическом режиме поочередно без простоя работает с 3-мя камерами сразу.

При разработке илистоглинистых пород, например, сапропелей, когда требуется выемка и транспортирование породы с естественной влажностью, а глубина разработки может составлять от 0 до -25 м, добычу можно вести горизонтальным способом (послойная горизонтальная срезка слоя толщиной до 1,2 м). Данная схема изображена на рис. 5.

На больших глубинах и большей мощностью залегающего пласта разработку рыхленных пород можно вести вертикальным способом (воронковым или стволовым в зависимости от текучести породы), когда камеры ПКН по мере породоза-бора перемещаются вертикально на глубину, равную глубине разработки. Данная схема разработки изображена на рис. 6.

Земснаряды с погружными насосами является наиболее действенный способ

Рис. 5. Варианты послойной разработки пород с помощью морского самоотвозного земснаряда, оборудованного насосом ПКН (А - при глубинах до 30 м, В - при глубинах свыше 30 м): 1 - камеры ПКН; 2 - ПЗУ; 3 - всасывающий трубопровод; 4 - устройство, регулирующее горизонтальность ПЗУ; 5 - напорные подающие и воздушные трубопроводы; 6 - трос подвески камер ПКН; 7 -трюмный морской земснаряд; 8 - трос горизонтального перемещения ПЗУ; 9 - подъемное устройство; 10 - выгружной трубопровод; 11 - лебедка позиционирования ПЗУ; 12 - гидросмесь в трюме; 13 - разрабатываемая порода

глубоководной разработки пород. Одна- ционных сложностей ко из-за ряда технических и эксплуата-

Рис. 7. Эжекторно-гидроразрыхляющий грунтозаборный оголовок земснаряда с грунтовым насосом ЗГМ-2М: 1 — всдсвсд Дн = 426/6; 1.1 — отвод 90°, Дн = 426 мм; 2 — водяной коллектор Дн = 426/6; 3 — насадка гидроразмыва do - 135 или 74 мм; 4 — насадка эжектора do= 130; 5 — конфузор эжектора 530 х 377; 6 — камера смешения Дн = 377/10; 7 — диффузор 377 х 426; 8 — экран; решетка: 9.1 — ребро малое, 9.2 — ребро большое, 9.3 — кольцо

способом с применением насоса ПКН:

1 - погружные камеры ПКН; 2 - ГЗУ; 3 - напорный пульпопровод; 4 - палубный распределитель воздуха; 5 - гидравлическая лебедка для передвижения снаряда; 6 - гидравлическая лебедка погружения насоса; 7 - компрессор; 8 -гидравлическая лебедка для передвижения Рис. 6. Разработка залежи Воронцовым снаряда

такие земснаряды не нашли широкого распространения. Наибольшее применение в настоящее время получили землесосные снаряды с установкой эжектора на всасывающей линии грунто-заборного устройства, что способствует повышению всасывающей способности грунтовых насосов на земснаряде. Этот прием является более приемлемым для уже действующих землесосных снарядов [7] (рис. 7).

Так, например, в ООО

«Компания «Трансгидромеханизация» в основном эксплуатируются земснаряды типа 180-60 и 350-50 Л. Конструкция земснарядов позволяет с небольшими затратами увеличить длину грунтозаборной рамы и, следовательно, увеличить глубину разработки месторождения до 30 м. Для этого следует установить необходимый дополнительный подпор эжектора, чтобы обеспечить такую же производительность земснаряда по породе, как и при глубине разработки 15 м (без эжектора).

Дополнительный подпор во всасывающей линии (эжектора) определяется из равенства:

Hэ=ZrУгсм- Тв/ув, м., где Zl - увеличение глубины грунтозабора до 15 м;, ув - соответственно плотность гидросмеси и воды (т/м3).

Подставив возможные значения плотности гидросмеси 1,2 т/м3; 1,25 т/м3 и 1,3 т/м3, получим напоры эжектора (Нэ) соответсвенно 3,0 м; 3,75 м и 4,5 м. Таким образом, при плотности гидросмеси угсм =1,2 т/м3 на каждый метр увеличения вакуумметрической высоты всасывания (за счет подпора эжектором) может быть получено 5 м дополнительной глубины грунтозабора без потери производительности земснаряда. Создать эжектор (водоструйный насос) с напором 3-4 м при наличии энергетиче-

1. Ялтанец И.М., Фалди Дж., Дементьев В.А., Леванов Н.И. Повышение глубины разработки при добыче несвязных полезных ископаемых земснарядами с применением пневматических камерных насосов (ПКН) фирмы РЫЕЦМА. Горный информационноаналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Изд-во МГГУ, 2006, стр. 73-89.

2. Бабичев Н.И., Дворовенко А.Е. Кон-

струкция и опыт эксплуатации новых типов

ских возможностей на земснаряде не представляет трудностей.

Использование земснаряда 180-60 (с грунтовым насосом ГрУТ-2000/63) с эжекторным грунто-заборным устройством (см. рис. 7) позволяет решить следующие задачи [7, 8]:

- увеличить глубину разработки до 30 м;

- увеличить производительность земснаряда на 30-50% за счет увеличения концентрации гидросмеси [7].

При работе на воде напор (около 3,5 м), создаваемый эжектором равен потерям напора во всасывающей линии, показание вакуумметра при этом равен нулю. При переходе на гидросмесь вакуум может быть доведен до допустимой величины 6-7 метров, обеспечивая высокую концентрацию гидросмеси - 1,2^1,3 т/м3. Дальнейшее увеличение напора эжектора нецелесообразен, так как при такой концентрации наступает ограничение по способности транспортирования гидросмеси в напорной линии. Кроме того эжекторы имеют низкий КПД (около 25%) и требуют больших затрат энергии. Земснаряды снабженные эжектором, за сезон 2008 г. в условия Западной Сибири (Тюменской области), достигли объема добычи песка 1,5-2,0 млн. м3 при снижении электроэнергии [7].

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

гидродобычных установок для разработки обводненных залежей песчано-гравийных смесей. Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение гидромеханизация. Изд-во МГГУ, 2006, стр. 135142.

3. Иванов С.А. К вопросу оценки глубины погружения насоса и глубины разработки земснарядами с погружными грунтовыми насосами. Г орный информационно-

аналитический бюллетень. Тематическое при-

ложение гидромеханизация. Изд-во МГГУ, 2006, стр. 253-256.

4. Иванов С.А. Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами. М., Изд-во «Горная книга», 2007, стр. 102.

5. Дементьев В.А. Определение оптимальных технологических режимов работы погружного грунтового пневматического насоса (ПГПН) при разработке рыхлых горных пород. Горный информационно-аналити-ческий бюллетень, № 1, - М.: Изд-во МГГУ, 2006 - С.253-258.

6. Лопатников М.И. Минерально-сырьевая база промышленности нерудных строи-

тельных материалов. Сб. докл. 9-й конференции «Технология оборудования и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов». М., Гемос Лими-тед, 2000.

7. Овчарук С.В., Толмачев А.Г. Особенности разработки грунта земснарядами в Западной Сибири. Горный информационноаналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 1. Гидромеханизация. - М.: Изд-во «Горная книга», 2009. - С.43-47

8. Ялтанец И.М., Щадов М.И. Практикум по открытым горным работам. М.: Изд-во МГГУ, 2003. ЕШ

— Коротко об авторе

Ялтанец И.М. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University ud@msmu.ru