Основы технологии криогенного гранулирования намывных пород

Е.А. Бессонов

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КРИОГЕННОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ НАМЫВНЫХ ПОРОД

Одной из важных научных проблем, стоящих перед гидромеханизацией, является эффективное использование природных и экономических ресурсов в криолитозоне Заполярья. Существенные потери минеральных ресурсов там возникают из-за воздействия природно-климатических факторов региона. Например, в условиях действия отрицательных температур воздуха намыв карт осложняется образованием различного вида мерзлоты, что приводит к потерям полезного ископаемого и дополнительным затратам на разработку и экскавацию намытых пород.

Для предотвращения образования мерзлоты на картах намыва в практике зимних гидромеханизированных работ в природно-климатических условиях Крайнего Севера традиционно применяли: подледный намыв штабелей и гидроотвалов в глубокий прудок-отстойник карт намыва, интенсификацию процесса намыва с минимальными периодами остановок земснарядов и периодическое разрыхление слоистой мерзлоты, образовавшейся на картах намыва. Многолетняя практика использования перечисленных методов на месторождениях Крайнего Севера показала, что все они эффективны только при соблюдении определенных технологических условий и ограничены в применении по климатическим поясам.

Так, отепление намытых пород гидросмесью оказывается эффективным лишь в случае многолетнего намыва карт, например, при намыве крупных гидроотвалов горных предприятий или штабелей песчаных пород, когда их экскавация не предусмотрена в межсезонный период работ. Интенсификация процесса намыва с минимальными периодами остановки земснаряда - сдерживается технологическими простоями, связанными с обслуживанием техники и оборудования гидромеханизации. А механическое рыхление мерзлоты требует привлечения существенных дополнительных материальных и энергетических затрат. Кроме того, из-за более суро-

вых природно-климатических условий эффективность перечисленных методов резко снижается в регионах Заполярья.

Поэтому с приходом гидромеханизации в эти регионы производственники начали использовать другие, проверенные практикой технические и технологические решения, которые частично позволили решить острую проблему образования мерзлоты на картах намыва:

Самые простые и наиболее применяемые из них, это решения, обеспечивающие гравитационное обезвоживание намытых пород. Для этого, за 2-3 недели перед наступлением морозного периода, намывные работы переносят на специальные резервные карты, а основные карты намыва оставляют для гравитационного обезвоживания пород. При этом разработку резервных карт обычно ведут после окончания периода обезвоживания пород - через 1-2 года, либо используют средства для разрыхления монолитной мерзлоты. Однако эти, кажущиеся простыми на первый взгляд решения, имеют и ряд серьезных недостатков. Главные недостатки их состоят в снижении качества добытого полезного ископаемого, увеличении их потерь и в дополнительных затратах, связанных с рыхлением смерзшихся пород.

Другими являются решения, направленные на предварительное обезвоживание пород способами открытых дренажей. Эти способы обезвоживания в настоящее время является наиболее простым и эффективным. Поэтому они нашли широкое применение в условиях Севера Западной Сибири при обезвоживании намытых песчаных пород. Однако, простой технический перенос способа в криолитозону Заполярья оказался не столь эффективным как ожидалось, а его использование выявило ряд серьезных недостатков. К ним, прежде всего, следует отнести недостаточную интенсивность обезвоживания намытых пород на мерзлых основаниях и низкую водоотдачу местных песчаных пород, сложенных главным образом из тонкозернистых и пылеватых фракций. В результате, в условиях весьма ограниченного теплого периода года, намытые песчаные породы на отдельных участках карт намыва не успевают отдать гравитационную воду и смерзаются с наступлением зимы. Другим сдерживающим фактором применения данного технического решения является необходимость в содержании дополнительной единицы землеройной техники.

Учитывая, что вскоре гидромеханизации придется решать проблему добычи полезных ископаемых не только в субарктической климатической зоне, но и в арктической зоне, где теплый период года не превышает 2-х календарных месяцев, то предлагается изменить подход к основным климатическим ресурсам Заполярья -отрицательным температурам воздуха: отказаться от борьбы с ними и перейти к их эффективному использованию.

В сопутствующих гидромеханизации областях науки и техники существуют перспективные решения, применение которых в Заполярье позволит изменить подход по отношению к отрицательным температурам воздуха и полностью решить проблему смер-заемости намытых пород. Эти решения основаны на результатах многочисленных исследований, направленных на изучение свойств пород после их криогенной обработки. Среди них необходимо выделить исследования Мельникова В.И. и Ковалёва В.М. (УкрНИИ-Проект) по поверхностному замораживанию влажных насыпных грунтов [1]. Суть этих исследований сводилась к изучению времени замораживания образцов породы различной массы. В результате проведенных экспериментальных исследований были сделаны выводы о технической возможности и эффективности способа поверхностного замораживания влажных насыпных грунтов, применение которого в производственных горных и транспортных процессах позволит исключить промерзание влажных пород на складах и их примерзание к горно-транспортному оборудованию.

Основываясь на результатах этих работ и проведя собственные теоретические исследования автору настоящей работы [2-3] еще в середине 80-х годов удалость разработать и защитить авторскими свидетельствами способы и устройства, позволяющими непосредственно в процессе добычи придавать горным породам сыпучемерзлые свойства. Поскольку гриф ДСП с них был снят только недавно (в 2005 г.), то ранее не представлялось возможным доложить о полученных результатах и представить эти разработки на обсуждение широкой аудитории.

Суть этих разработок состоит в том, что подготовку, обработку и придание добываемым породам сыпучемерзлые свойства необходимо осуществлять в одном производственном цикле и с помощью комплекса выпускаемого промышленностью оборудования.

Так, криогенное гранулирование пород, добываемых гидромеханизированным способом, необходимо осуществлять в сле-

дующей последовательности. Первичное обезвоживание гидросмеси до 30-40 % влажности необходимо производить в сгустителях, обеспечивающих сгущение твердых частиц размерами более 0,05-0,10 мм. Далее - вторичное обезвоживание в виброворонках, где можно обеспечить конечную влажность пород менее 20 %. Затем, гранулирование, т.е. - разделение обезвоженной грунтовой массы на отдельные крупные частицы или на скопления мелких частиц. И, наконец, смешивание гранул с потоком воздуха и получение аэросмеси, которую необходимо направлять в тело отсыпаемого сооружения.

На рис. 1 показана блок-схема способа криогенного гранулирования пород, а на рис. 2 схема формирования склада пород из сыпучемерзлых гранул.

Для осуществления способа криогенного гранулирования пород был разработан проект комплексного устройства, состоящего из совокупности ранее известного и широко применяемого промышленного оборудования: гравитационного или как вариант центробежного сгустителя (гидроциклона), вибрационного бункера -обезвоживателя (виброворонки), виброгранулятора (виброгрохот или как вариант вибросито) и воздуходувной установки (вентилятора) (рис. 3.).

В результате проведения теоретических исследований были получены закономерности, которые определяют технологические параметры процессов гранулирования и отсыпки пород в штабель в зависимости от размера формируемых гранул и от температуры окружающей среды.

Так, в результате экстраполяции функции, которую удалось получить после анализа известных исследований Мельникова В.И. и Ковалёва В.М. [1] и внесения в них соответствующих поправок была получена эмпирической зависимости времени (т, секунд), необходимого для технологического формирования льдогрунтовых гранул:

т = t а, при а ~ ^-(^)]/^+(^)]

j J І ПІ iryilll III 1 1Г|ПП ІПГІІ yjg irir II j ісіиісшіьш паїїирпьш и^^шииирииид I

Рис. 2. Схемпрформирования склада (штабеля) из сыпучемерзлых песчаных по-

род гру нтогрануляционным устройствомуГГУ)

Карь ер озерного месторождения

Сброс в отвал в подледное пространство карьера

Подледная разработка песчаных пород скре-перно-земснарядным комплексом — СЗК

Рис. 1. Технологическая схема способа криогенного гранулирования песчаных пород

где t - отрицательная температура наружного воздуха, - °С (в формуле при расчетах принимается без знака минус); d - средний диаметр льдогрунтовых гранул формы, мм.

Затем, на основании полученной эмпирической зависимости (формула 1), была установлена технологическая дальность полета гранул породы, при которой происходит их фазовый переход в твердомерзлое состояние и обеспечивается укладка сыпучемерзлых пород в тело формируемого склада:

g • эт2а

I = -

с га + 2 2АН а 2 АН | • га +

1 V g g )

4К sin а

Рис. 3. Схема устройства для формирования льдогрунтовых гранул 1 - гидроциклон; 2 - виброворонка; 3 - грануляционная и смесительная камеры; 4 - вентилятор; 5 - сопло смесительной камеры; 6 - патрубок для подачи гидросмеси; 7 -патрубок для отвода осветленной воды и пылеватых фракций; 8 - атмосферный воздух; 9 - аэросмесь из льдогрунтовых гранул

где а - угол наклона насадки воздуходувной установки, градус; g -9,81 м/с2 ; d - диаметр льдогрунтовых гранул, мм; АН - приведенная высота отсыпаемого штабеля, м; АН = Н- h, где Н - высота отсыпаемого штабеля от основания, м; h - высота насадки воздуходувной установки от основания, м; t - отрицательная температура

X

: го ™ В-

ш 1_

^ QJ

с; о

IZ

о

о

X

X

QJ

-Ü

ь

о

X

J3

с;

го

ч;

Температура воздуха, t, С

Рис. 4. Зависимость технологической дальности полета гранул L, м, от температуры воздуха t, С°, и размера гранул d, мм: 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно для гранул диаметром 5, 4, 3, 2 и 1 мм; cp.t min - ср. t max - область технологического применения криогенного гранулирования пород, ограниченная соответственно среднемесячными минимальными (октябрь) и максимальными (январь) температурами воздуха зимнего периода криолитозоны Заполярья, t, С°.

наружного воздуха, °С (в формуле 3 при расчетах принимается без знака минус).

На рис. 4 показана графическая зависимость технологической дальности полета гранул от температуры воздуха и размера гранул, при которой происходит их фазовый переход в твердомерзлое состояние.

При формировании льдогрунтовых гранул малых размеров (до 4-5 мм) мощность воздуходувной установки в большей степени будет зависеть от производительности устройства по аэросмеси и в меньшей от температуры воздуха. И наоборот, для более крупных гранул, зависимость потребной мощности воздуходувной установки от температуры атмосферного воздуха будет резко возрастать.

Для практических расчетов мощности воздуходувной установки для криогенного гранулирования может использоваться известная формула, применяемая для расчетов вентиляторов, в которой учитываются подача и давление вентилятора:

Рис. 5. Зависимость потребной мощности воздуходувной установки (вентилятора) от диаметра формируемых гранул: 1, 2, 3, 4 и 5 -при температуре атмосферного воздуха соответственно -5 °С, -10 °С, -20 °С, -30 °С и -40 °С

N = КЖ

100^7

где К з - коэффициент запаса мощности; Q - подача вентилятора, м3/с; Н - потребное давление вентилятора, Па; п - к.п.д. вентилятора.

Расчетные параметры способа и устройства, выполненные с помощью полученных, в результате проведенного анализа, зависимостей вполне согласовываются с техническими параметрами выпускаемого оборудования.

Так, первичное обезвоживание пород до влажности 30-40 % и производительностью до 150-200 м /час может осуществляться, например, в передвижных гидроциклонах диаметром 1400 мм или самоходных установках типа СГУ. Дальнейшее обезвоживание до 20 % влажности - в промышленных виброворонках, установленных под гироциклонами. В качестве гранулятора могут использоваться виброгрохота, имеющие цилиндрическую форму, а в качестве воздуходувной установки -промышленные центробежные либо осевые вентиляторы.

Технические характеристики проекта комплексного устройства для грануляции пород, состоящего из различного вида оборудования представлены в таблице.

№ п/п Наименование технологического процесса Применяемое оборудование Достигаемые параметры

1 Г идротранспортирова-ние пород земснарядом средней производительности 200 куб. м/ч Магистральный и рабочий пульпопроводы диаметром 429 -630 мм Средняя дальность гидротранспортирования 1,5-2,5 км при объемной концентрации гидросмеси 0,10,2

2 Первичное обезвоживание (сгущение) гидросмеси Передвижные центробежные сгустители диаметром 1400 мм либо самоходные гидроциклоны типа СГУ Обезвоживание песчаных пород до 30-40 % влажности

3 Вторичное обезвоживание пород Виброворонки. Вибрационные бунке-ры-обезвоживатели Глубина обезвоживания песчаных пород до 20 %

4 Отвод из гидроциклона и бункера-обезво-живателя отработанных вод вместе с пылеватыми частицами пород и сброс их под лед выработанного пространства карьера Обратный трубопровод, установленный под уклоном диаметром 530-630 мм Сброс в отвал пылеватых фракций диаметром менее 0,050,10 мм

5 Гранулирование пород Вибрационная грануляционная камера, перфорированная отверстиями диаметром до 5 мм, либо вибросита Формирование гранул пород (скоплений групп мелких частиц) диаметром до 4-5 мм

6 Формирование аэросмеси из льдогрунтовых гранул Смесительная камера, соединенная с грануляционной камерой и выходным каналом вентилятора При температурах воздуха ниже -3° ^ - 5 °С. Удельный расход воздуха 40^60 м3/м3. Мощность вентилятора 50-75 кВт

7 Формирование штабеля (склада, резерва) из сыпучемерзлых гранулированных пород Сосредоточенный поток аэросмеси из сопла грунтогранулято-ра Т ехнологическая дальность полета аэросмеси 25-50 м.

В заключение доклада необходимо отметить, что предложенный способ криогенного гранулирования пород рекомендуется

применять в ресурсосберегающих технологиях и при их техникоэкономической целесообразности. Причем, наибольшую эффективность он может принести в климатических регионах Арктики и Субарктики при разработке гидромеханизированными способами обводненных песчаных и россыпных месторождений.

На рис. 5 представлена графическая зависимость потребной мощности вентилятора от размеров формируемых гранул и температуры атмосферного воздуха.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Мельников В.И., Ковалёв В.М. Исследование поверхностного замораживания влажных насыпных грунтов. Уголь Украины. 1981., № 1. С. 16-17.

2.А.с. № 1244970. Способ намыва земляных сооружений в зимнее время и устройство для его осуществления. / Бессонов Е.А. Зарегистрировано 15.03.86. Опубликовано 27.08.05 г. в бюлл. Изобретения. Полезные модели. № 24.

3.А.с. № 1489232. Способ строительства земляных сооружений в зимнее время и устройство для его осуществления. / Бессонов Е.А. Зарегистрировано 28.11.86. Опубликовано 27.08.05 г. в бюлл. Изобретения. Полезные модели. № 24.

— Коротко об авторах --------------------------

Бессонов Е.А. - ЗАО «Глобалстрой-Инжиниринг».