Транспортирование строительных материалов и смесей характеризуется потерей их качества и количества, вредным воздействием на окружающую среду и высокими затратами. Показатели транспортирования улучшаются с использованием вибротрубопроводного способа доставки строительных материалов. Оптимизация параметров транспортирования грузов и гидросмесей позволяет снизить уровень химически опасного загрязнения экосистем окружающей среды.
УДК 627.09
Ю.В. ДМИТРАК, профессор, ректор Северо-Кавказского горно-металлургического института (ГТУ)
Ключевые слова: транспортирование, бетонная смесь, вибрация, груз, окружающая среда, эффективность
Keywords: transportation, concrete mix, vibration, cargo, environment, efficiency
При перемещении пластичных и сыпучих грузов одной из наиболее трудоемких операций является погрузка транспортируемой массы в транспортное средство или новый объект нахождения [1-4]. Ее размещение осуществляется в определенной последовательности, поскольку плотность сыпучих грузов создает повышенные напряжения и представляет опасность для инфраструктуры объектов.
Чаще всего погрузка сыпучих грузов требует обустройства, строительства бункера или использования конвейеров и контейнеров. Например, для погрузки сыпучих грузов из транспортных средств нужна эстакада и приемные бункеры. Погрузка краном или через эстакаду требует перестановки крана или перемещения загружаемого объекта.
При погрузке выделяются активные фракции пыли, угнетающие природную среду, поэтому возникло направление погрузки с исключением контакта груза с окружающей средой.
В зависимости от необходимости сыпучие грузы перемещаются или с применением в качестве транспортного средства воды, или, наоборот, без использования воды. Оба варианта осуществляются с использованием трубопроводов.
Бетонные смеси занимают значительное место в объеме горного производства. Важной характеристикой их является влажность, определяющая смерзаемость, разжижаемость и другие параметры. Поэтому получают ограничение вплоть до исключения технологии с использованием в качестве транспортного средства воды; предпочтительны технологии, которые могут быть применены без добавления воды или минимального ее количества в качестве транспортирующей среды.
Проблема приобретает особую актуальность при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, особенно в тех случаях, когда для транспортирования гидросмесей применяются приспособленные горные выработки, в особенности с обратным уклоном, что повышает сопротивление транспортированию.
в результате вибротранспортирования увеличивается длина доставки материалов как для периферийных участков месторождений, так и на дневной поверхности [5-9]. Повышение активности твердеющей смеси в процессе ее транспортирования позволяет вовлечь малоактивные отходы производства, сохранить земную поверхность при добыче компонентов смеси и снизить затраты на строительство промышленных объектов.
Качество бетонных смесей повышается при рациональном использовании физических и энергетических ресурсов при их транспортировании. Активация в трубопроводе повышает качество смеси за счет более равномерного распределения заполнителя, улучшения условий гидратации вяжущих материалов.
Применение новой технологии открывает новые возможности использования ресурсосберегающих технологий подземной разработки рудных месторождений с получением многопланового эффекта, в том числе за счет обеспечения периферийных участков без строительства дополнительных закладочных комплексов.
Целью исследования является обоснование эффективности вибротранспортирования сыпучих и гидронасыщенных материалов с моделированием параметров перемещения при изменении режима транспортирования.
Результаты. Для вибротранспортирования материалов необходимо воздействие на трубопровод знакопеременной силы. Колебания уменьшают сопротивление транспортированию, а гидравлический или пневматический напор перемещает материал [10-12].
При малом и среднем заполнении трубопровода коэффициент сопротивления транспортированию в трубе без вибрации равен коэффициенту динамического трения. С увеличением же степени заполнения трубопровода сопротивление перемещению увеличивается. При полном заполнении трубы значительной длины сопротивление транспортированию превышает вес перемещаемого материала и препятствует его перемещению. Закупоривание трубопровода предотвращается вибрацией трубопровода.
Наиболее освоена технология перемещения бетонных смесей, например, в горной отрасли экономики.
Показатели вибротранспорта зависят от амплитуды и частоты вибрации. Амплитуда вибрации не должна превышать 1 мм. Для движения материалов по трубам соотношение диаметра трубопровода и наиболее крупного куска перемещаемого материала не должно быть менее 5:1. Рядом с закладочным трубопроводом укладывают трубопровод сжатого воздуха и водопроводную магистраль. Сжатый воздух при необходимости подают в магистраль через эжекторы в верхней части трубопровода. Перемешивание материала и регулирование скорости его движения достигают подачей в трубопровод сжатого воздуха с расходом от 4 до 10 м3 на 1 м3 материала.
Первое использование технологии относится к практике разработки месторождений объединения «Висмут» (Германия).
В конце прошлого века при подземной разработке месторождения Шокпак-Камышовое (Казахстан) использовали виброустановку для доставки твердеющих смесей на расстояние, в 10 раз превышающее возможности самотечной доставки под воздействием напора смеси в вертикальном ставе.
Для повышения транспортабельности по трубопроводам в материал обычно добавляют воды до осадки конуса 11. При новой технологии материал транспортировали без воды при осадке конуса 9.
Установка для транспортирования твердеющих смесей работала в условиях: диаметр воздушной врезки 40 мм; диаметр закладочного трубопровода 170 мм; давление сжатого воздуха в воздушном трубопроводе 6000 Па; производительность 60 м3/ч.
При подаче бетонной смеси на расстояние до 2,5 км и частоте колебаний 10-30 Гц, амплитуде 0,5-1,5 мм расход энергии составил 0,15-0,22 кВт/м3. При равном расходе цемента прочность бетонной смеси увеличилась на 20-25%.
Инструментом реализации идеи вибросамотечного транспорта являются инерционные одновальные вибровозбудители на упругих опорах (рис. 1).
Рабочее давление сжатого воздуха в трубопроводе 600 000 Па.
Состав транспортируемой смеси, кг/м3: цемент – до 100, доменные шлаки – 160-250, вода – 380. Скорость движения смеси по трубопроводу, м/с: 1,2-1,5. Производительность системы, м3/ч: 100.
Опыт вибротранспортирования сухих грузов может быть использован при погрузке сыпучих материалов в различных отраслях экономики, например на морском транспорте (рис. 2).
У моря сооружается причал для размещения последних вибраторов [13-16]. Нависающий конец трубопровода, секционированный от основного трубопровода, располагается в площади судна и при погрузке перемещается для обеспечения нужных параметров погрузки.
Основными параметрами вибродоставки являются: длина транспортирования, длина секций и расположение вибровозбудителя в пределах секции.
Воздействие вибрации обеспечивает тиксотропное разжижение дисперсной среды и перемещение частиц материала, контактирующих со стенками трубопровода. Оно проявляется путем ускорения колебаний трубопровода:
При А=1,0-1,5 м создается тиксотропно разжиженный пристенный слой и исключается расслоение материала.
Эффективное воздействие вибрации обеспечивается при колебании трубопровода с минимальной амплитудой Am:
,
где ρr – плотность частиц материала, кг/м3; ρо – плотность дисперсной среды, кг/м3.
При расположении вибровозбудителя в центре инерции секции ее длина:
,
где b – коэффициент, учитывающий расположение вибровозбудителя (2); a1 – коэффициент затухания колебаний (0,007-0,008 мм/м).
В установках вибросамотечного типа выделяется основной поток, в котором сохраняются вязко-пластичные свойства смеси, и пристенный слой. Расслоение материала исключается при скорости движения 0,5-1,0 м/с. Внутренний диаметр трубопровода:
,
где Vср – средняя скорость транспортирования, м/с.; dср – средний размер транспортируемого материала, мм.
Пропускная способность трубопровода:
,
где Q – производительность установки, м3/ч; Д – диаметр трубопровода, мм. Удельные потери давления на горизонтальном участке трубопровода:
где ∆ρ – удельные потери давления, П a/м; τ1о – напряжение сдвига пристенного слоя, а; η1 – вязкость тиксотропно разжиженного пристенного слоя, Па с.
Па с
Дальность подачи материала установкой:
,
где ρс – плотность твердеющей закладочной смеси, кг/м3.
Упругие опоры УВТ выполняют функции основных и поддерживающих упругих связей. Принята конструкция опоры, элементы которой имеют цилиндрическую форму.
Расчетная схема трубопровода дана на рис. 3.
Величина вынуждающей силы вибровозбудителя:
K=A(mпр+mв),
где К – статистический момент массы дебаланса вибровозбудителя; mпр – приведенная масса трубопровода с учетом присоединенной массы материала.
Приведенная масса трубопровода:
,
где n – число однородных элементов; li – координата элемента mi
Величина вынуждающей силы вибровозбудителя: p=kW2.
Мощность N, потребляемая вибровозбудителем, складывается из мощности Ni, расходуемой на поддержание вынуждающих колебаний трубопровода, и мощности Nм, идущей на компенсацию потерь энергии в вибровозбудителе:
N=N1+NМ
Мощность на поддержание колебаний трубопровода:
N1=PWA sin2ϕ,
где ϕ – угол сдвига фаз между перемещением трубопровода и направлением его вынуждающей силы.
Угол сдвига фаз:
,
где SТ=πДl1 – внутренняя поверхность трубопровода-секции; bc – коэффициент сопротивления смеси колебаниям трубопровода, (4,0-7,0) 104 кг/(с. м2).
Величина Nм:
,
где fn – 0,003 – условный коэффициент трения в подшипниках качения; d – диаметр шейки дебалансного вала в месте сопряжения с подшипником.
Мощность электродвигателя секции:
,
где ηМ – к.п.д. упругой муфты, 0,95.
Установленная мощность привода УВТ:
Ny=ncNдв,
где nc – количество секций.
Диаметр трубопровода УВТ определяется из условия обеспечения ее производительности и предотвращения расслоения твердеющей смеси. Расслоение смеси исключается при скорости ее движения 0,5-0,7 м/с.
При оптимальном диаметре трубопровода значение скорости движения материала принимается минимальной, что позволяет исключить его расслоение при незначительных изменениях ее подачи, обусловленных неточностью дозировки исходных компонентов.
Устойчивый режим транспортирования материалов обеспечивается за счет вибрационного воздействия на пристенный слой, которое осуществляет тиксотропное разжижение дисперсной среды и перемещение частиц материала, контактирующего со стенками трубопровода.
Реализация технологии при осуществлении погрузки сыпучих грузов существенно улучшает экологические условия в окрестностях жилого или промышленного объекта, например морского порта г. Новороссийска.
Рассматриваемая технология позволяет оптимизировать параметры транспортирования грузов и снизить объем попадающих в окружающую среду опасных ингредиентов с формированием экологического и технологического эффекта [17-23].
Выводы:
Показатели транспортирования и погрузки сыпучих грузов и гидросмесей могут быть радикально улучшены путем применения инновационной вибротехнологии с использованием трубопроводов.
Технология вибропроводной доставки грузов, кроме радикального улучшения экологической обстановки в районе погрузочных работ, обладает достоинствами:
– уменьшает объемы и площади погрузочных устройств и сооружений;
– осуществляется в изолированном пространстве трубопровода;
– легко контролируется и управляется.
Реализация технологии вибротранспортирования отвечает направлению комплексного решения экономических и экологических проблем в смежных отраслях народного хозяйства.
Библиографический список
1. Вагин В.С., Голик В.И. Проблемы использования природных ресурсов Южного федерального округа // Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. 650100 «Прикладная геология», по горно-геол. Специальности. – Владикавказ: Проект-Пресс, 2005, – 192 с.
2. Голик В.И. Специальные способы разработки месторождений. – Москва: ИНФРА-М, 2014, – 132 с.
3. Golik V.I., Dmitrak Yu.V. Parameters of transportation of tailings of metals lixiviating. В сборнике: E3S Web of Conferences. The Second International Innovative Mining Symposium. 2017.
4. Golik V., Dmitrak Yu. Parameters of solidifying mixtures transporting at underground ore mining. В сборнике: E3S Web of Conferences. The Second International Innovative Mining Symposium. 2017.
5. Golik V.I., Hasheva Z.M., Galachieva S.V. Diversification of the Economic Foundations of Depressive Mining Region. The Social Sciences 10 (5): Medwell Journals, 2015, рр. 678-681.
6. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, Т. 7, №5, 2015, с. 401-405.
7. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // Metallurgical and Mining Industry, Т. 7, №7, 2015, с. 383-387.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore production efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry, Т. 7, №4, 2015, с. 325-329.
9. Golik V.I., Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A. Еxperimental study of non-waste recycling tailings ferruginous quartzite // International Journal of Applied Engineering Research, Т. 10, №15, 2015, с. 35410-35416.
10. Магомедов Ш.Ш. Приготовление и транспортирование твердеющих смесей / В сб.: Математическая межд. конф. «Логическое управление технологическими процессами и системами». – Москва – Владикавказ, 1999.
11. Платонов В.Н., Поддубный И.К. Устройство и опыт работы вибросамотечной установки по доставке закладочных смесей на руднике в Тюрингии. Вибрационная техника / Материалы семинара. – М.: Общество «Знание», 1992.
12. Polukhin O.N., Komashchenko V.I., Golik V.I., Drebenstedt C. Substantiating the possibility and expediency of the ore beneficiation tailings usage in solidifying mixtures production // Scientific Reports on Resource Issues Innovations in Mineral Ressource Value Chains: Geology, Mining, Processing, Economics, Safety, and Environmental Management. – Freiberg, 2014. с. 402-412.
13. Голик В.И., Разоренов Ю.И. Разработка транспортно-технологических схем вибротранспортирования материалов и их эффективность // Эксплуатация морского транспорта, №1, 2016, с. 3-9.
14. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, №4, 2015, с. 76-88.
15. Голик В.И., Разоренов Ю.И. Проектирование горных предприятий. – Новочеркасск, 2007, 262 с.
16. Голик В.И., Шевченко Е.В., Ермишина Е.Б. Концептуальные аспекты развития промышленных предприятий современной России. Монография. – Краснодар: РИО ЮИМ, 2011, 272 с.
17. Дмитрак Ю.В., Зиновьева Т.А., Сычев Н.Н. Использование системы msc. Nastran для оптимизации силовой конструкции вибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), №4, 2007, с. 295-299.
18. Дмитрак Ю.В., Камнев Е.Н. АО «Ведущий проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии» – путь длиной в 65 лет // Горный журнал, №3, 2016, с. 6-12.
19. Разоренов Ю.И., Голик В.И. Проблемы глубокой утилизации отходов переработки угля // Маркшейдерия и недропользование, №4(66), 2013, с. 52-54.
20. Khasheva Z.M., Golik V.I. The ways of recovery in economy of the depressed mining enterprises of the Russian Caucasus // International Business Management, Т. 9, №6, 2015, с. 1210-1216.
21. Golik V.I., Khasheva Z.M., Shulgatyi L.P. Economical efficiency of utilization of allied mining enterprises waste // Journal of the Social Sciences, Т. 10, №6, 2015, с. 750-754.
22. Голик В.И., Хашева З.М. Механизм экономической диверсификации горной отрасли регионов Кавказа // Научный вестник Южного института менеджмента, №1, 2014, с. 39-47.
23. Голик В.И., Лукьянов В.Г., Хашева З.М. Обоснование возможности и целесообразности использования хвостов обогащения руд для изготовления твердеющих смесей // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 326, №5, 2015, с. 6-14.
24. Голик В.И., Хадонов З.М., Габараев О.З. Управление технологическими комплексами и экономическая эффективность разработки рудных месторождений. – Владикавказ, Терек. 2001. – 391 с.
25. Голик В.И., Хадонов З.М., Габараев О.З. Управление технологическими комплексами и экономическая эффективность разработки рудных месторождений. – Владикавказ, Терек. 2001.
26. Голик В.И., Разоренов Ю.И. Проектирование горных предприятий. – Новочеркасск, ЮРГТУ. 2007.
