RU    |    LV
 


Повышение глубины разработки при добыче несвязных полезных ископаемых земснарядами
c применением пневматических камерных насосов (ПКН) фирмы PNEUMА

И.М. Ялтанец (МГГУ, Москва)
Джованни Фалди (PNEUMA S.r.l. , Флоренция)
В.А. Дементьев (EHT Engineering,  Рига)

Гидромеханизированный способ разработки рыхлых горных пород с использованием  погружных грунтовых насосов обеспечивает возможность ведения добычных работ на глубинах в 60 и более метров [1]. Объемная концентрация гидросмеси при этом составляет не более 20-25%.
Дальнейшее увеличение глубины разработки до 131м [2] требуют дополнительного применения напорного насоса и эжекторного устройства, что резко повышает энергоемкость процесса извлечения породы на поверность  [1] .
Наиболее оптимальным, на наш взгляд, решением вопроса увеличения глубины разработки, повышения концентрации гидросмеси и снижения энергоемкости процесса добычи несвязных полезных ископаемых 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 гидростатического давления воды, а подача гидросмеси на поверхность происходит за счет работы сжатого воздуха [3].
Принцип работы  ПКН  итальянской фирмы PNEUMA показан на             Рисунке 1.
Рабочий цикл такого насоса  может быть разделен на три фазы:
Первая фаза – наполнение камеры ПКН пульпой.
Каждая камера быстро заполняется пульпой под действием внешнего гидростатического давления жидкости на глубине. Как только  камера заполнится, входной клапан её автоматически закрывается под действием собственной силы тяжести.
Вторая фаза- опустошение камеры и перекачка.
Когда камера наполнена гидросмесью, сжатый воздух, подающийся от компрессора через распределитель воздуха (дистрибьютор) и шланги высокого давления в верхнюю часть камеры, начинает действовать как поршень и силой сжатого воздуха  выдавливает пульпу  через выгружной клапан (на данном рисунке не показан) в вертикальный пульпопровод.
Третья фаза – сброс сжатого воздуха из пустой камеры и подготовка к первой фазе.
Когда камера освобождена от пульпы, дистрибьютор сбрасывает воздух в атмосферу. Когда сжатый воздух полностью выйдет из цилиндра, в нем  восстановится прежнее низкое давление. После  этого  открывается входной клапан и пульпа начинает опять поступать в камеру, как описано в первой фазе.
Для обеспечения непрерывности процесса всасывания и подачи пульпы на поверхность, дистрибьютор воздуха  работает поочередно с тремя цилиндрами, производя  до 3 циклов в каждую минуту.


Рисунок 1. Принцип работы погружного пневматического камерного
насоса ПКН: 1-цилиндрическая камера, 2-всасывающий патрубок, 3-
входной клапан, 4-труба подачи и сброса воздуха, 5-трубопровод подачи
пульпы (напорный).

При этом пневматический насос работает как цилиндрический насос с той лишь разницей, что поршнем в нем является сжатый воздух, что обеспечивает плавность передачи и устраняет все другие рабочие органы, присущие другим типам насосов (отсутствуют быстро изнашивающиеся трущиеся части).
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 горизонтали. 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.  Скорость на всасывающем патрубке зависит от величины давления жидкости на глубине, и эта зависимость показана в таблице 1.
Скорость  всасывания жидкости определяется по известной формуле Э.Торичелли:
 .                                                        (1)
Таблица 1.

 

Таблица зависимости между скоростью всасывания воды и глубиной погружения насоса ПКН

 

Глубина погружения всасывающего патрубка

 

Скорость
всасывания воды

1 м

4,4 м/сек

2 м

6,3 м/сек

3 м

7,7 м/сек

10 м

14,0 м/сек

15 м

17,1м/сек

20 м

19,8 м/сек

30 м

24,2 м/сек

50 м

31,3 м/сек

100 м

44,3 м/сек

Результаты таблицы показывают за счет чего пневматический насос способен производить всасывание грунта с 60/70 процентным объемным содержанием твердого. Эти скоростные показатели у пневматического насоса намного выше, чем у  грунтовых осевых или центробежных насосов.
С учетом  реологических свойств гидросмеси и потерь на всасывающем участке скорость всасывания может быть определена по фомуле Вейсбаха-Дарси [4]:
                                                    (2)
Расход  сжатого воздуха, который наполняет воздушные шланги, соединяющие дистрибьютор с камерами насоса, и расходуется при каждой рабочей фазе, заставляет приблизить дистрибьютор воздуха как можно ближе к телу насоса. Это легко выполнимо при стационарной установке на берегу, в то время как  при добыче на  глубине до  20м проблема решается путем размещения дистрибьютора над водой (обычно на понтоне земснаряда) [5].
При работе на  глубинах более 20м дистрибьютор погружается и располагается рядом с насосом, хотя можно использовать и палубный, но при этом расход воздуха будет выше.
С учетом того, что первая фаза наполнения камеры гидросмесью осуществляется под действием внешнего давления воды, а вторая фаза выдавливания гидросмеси из камеры осуществляется под действием сжатого воздуха, эти фазы  могут быть выполнены с различными скоростями, одна скорость для наполнения и другая скорость разгрузки. Эта техническая особенность позволяет  выбирать диаметр всасывающего патрубка  исходя из экономической целесообразности в противоположность технической необходимости расчета критических скоростей и подбора оптимального сечения всасывающего трубопровода в случае применения центробежного грунтового насоса. Это преимущество перед центробежным насосом особенно значительно, когда размер перекачиваемых частиц твердого в гидросмеси составляет менее 100 микрон (0,1мм). В этом случае скорость транспортирования гидросмеси может быть значительно ниже, чем в случае транспортирования частиц песка или гравия, хотя скорость всасывания при этом не понижается и остается на прежнем высоком уровне.
Ниже приведены  графики (Рисунок 2, 3 ) расхода энергии на разработку 1м3 рыхлых горных пород в теле  стандартным наосом ПКН типа 450/80  фирмы PNEUMA производительностью 600м3/час по пульпе для различных условий добычи.

             
Рис.2. График расхода энергии на разработку 1м3 песчано-гравийной породы в теле  для насоса ПКН типа 450/80 фирмы PNEUMA  производительностью 600м3/час по пульпе.


Рис.3. График расхода энергии на разработку 1м3 глины с естественной влажностью 75% и плотностью γ= 1,55 тн/м3 при подаче пульпы 60% весовой концентрации (γп= 1,33 тн/м3,  неньютоновская жидкость) для насоса  ПКН типа 450/80 фирмы  PNEUMA  производительностью 450м3/час по пульпе.

Расход энергии показан в л.с.  для разработки:
- одного м3 рыхлой породы в залегании (в теле),
- плотность породы в естественном залегании  принята γ=2 тн/ м3,
- размер частиц разрабатываемых пород для первого графика от 0,1 до 30 мм, для второго от 0,05 до 0,005мм;
- глубина разработки до -50м,
- высота подъема над уровнем воды 5м,
- давление потока смеси в трубопроводе не превышает 11 атмосфер (157 psi).
При разработке илисто-глинистых пород, например, сапропелей, когда требуется выемка и транспортирование породы с естественной влажностью, а глубина разработки может составлять от 0 до -25м, добычу можно вести  горизонтальным способом (послойная горизонтальная срезка слоя  толщиной до 1,2м). Данная схема изображена на Рисунке 4.

Рис. 4. Послойная разработка залежи на малых глубинах с помощью насоса ПКН: 1- погружные камеры  ПКН; 2 – ковш ГЗУ; 3- напорный пульпопровод; 4- палубный распределитель воздуха; 5- гидравлическая лебедка обратного хода; 6- гидравическая лебедка погружения насоса; 7- компрессор; 8- гидравлическая лебедка рабочего хода баржи и траления насоса.

При послойной разработке залежи ГЗУ насоса может быть выполнено в виде цельного горизонтального ковша. Ковш снабжен стационарными вертикальными и горизонтальными ножами, выполненными в виде сетки, полностью закрывающей всю фронтальную плоскость ковша. Шаг ножей (шаг сетки) не должен превышать 1/3 диаметра всасывающих патрубков насоса для предотвращения попадания в насос крупных включений (булыжников) и образования пробок.
Для облегченного входа ковша в породу и снижения нагрузки на рабочие лебедки, ножи устанавливаются под углом в 45÷60 градусов к горизонту, а нижняя плоскость ковша снабжена выступающим вперед горизонтальным ножом.
При плотности породы в сложении  до 1,6 т/м3 фронтальную сетку ковша и горизонтальный нож в нижней плоскости складывают под углом 90÷120 градусов по оси симметрии (по оси рабочего движения ковша), облегчая тем самым его проникновение в породу и снижая нагрузку на ходовые лебедки. А при возрастающей плотности породы  до 2 т/м3 один сплошной ковш заменяют на 3 раздельных, устанавливаемых на каждом всасывающем патрубке (Рисунок 5.)

                

Рисунок 5. Раздельные ковши для горизонтальной послойной разработки породы:
1-ковш; 2-всасывающий патрубок; 3-вертикальные ножи; 4-горизонтальные ножи.

Процесс всасывания породы в данном случае происходит не за счет эрозионного размыва породы, т.к. всасывание свободной воды насосом практически отсутствует ввиду постоянного заглубления ножей в породу.
Нельзя рассматривать данный процесс  всасывания и как процесс всасывания из-под слоя покрывающих пород с помощью заглубленного всаса, т.к. в данном случае отсутствует система гидроразмыва.
В данном случае размыв породы отсутствует, следовательно говорить о размывающих скоростях неуместно.
Подача породы к всасывающему патрубку происходит не за счет скорости эрозионного размыва и переноса частиц породы потоком к всасывающему патрубку, а за счет постоянного поступательного внедрения в породу грунтозаборного ковша (или ковшей), который благодаря постоянной скорости перемещения Vгзу
и наличию на входе сетки из стационарных ножей, а в задней стенке отверстия всаса,
отделяет (вырезает) полосу породы из массива, разрезая её на более мелкие полосы перед всасыванием.
Интенсификация смятия структурных связей породы, разрезанной на полосы с размером стороны не более 1/3 диаметра всасывающего патрубка, происходит в ковше между входной сеткой и отверстием всаса за счет конусного схождения стенок ковша к всасывающему патрубку.
Таким образом, процесс всасывания водонасыщенной породы происходит под действием внешнего гидростатического напора жидкости не за счет скорости размыва породы, а за счет скорости продвижения ковша ГЗУVгзу  и скорости всасывания гидросмеси Vвс.
Скорость всасывания Vвс при этом и скорость гидротранспорта в напорном трубопроводе Vтр будут различны.
Скорость всасывания будет возрастать с глубиной разработки и может меняться в зависимости от плотности и пористости разрабатываемой породы. При этом всасывание гидросмеси может проходить как ламинарном, так и в турбулентном режимах.
Подача и транспортирование гидросмеси по напорному трубопроводу осуществляется в ламинарном потоке. При разработке илисто-глинистых пород и сапропелей гидротранспорт осуществляется плотным потоком [6].
Проведенные экспериментальные исследования показали, что оптимальная скорость перемещения ковша ГЗУ  Vгзу , при которой обеспечивается  максимальная концентрация гидросмеси и минимальная мутность в забое, не должна превышать 3м/мин. Это ограничение по скорости устанавливает ограничение и по производительности насоса при горизонтальном послойном способе разработки до 600м3/час.
На больших глубинах и большой мощности залегающего пласта разработку рыхлых пород можно вести вертикальным способом (ворόнковым или стволовым в зависимости от текучести породы), когда камеры ПКН по мере породозабора перемещаются вертикально на глубину, равную глубине разработки. Данная схема разработки изображена на Рисунке 6.
С увеличением глубины погружения камер возрастает и высота столба поднимаемой на поверхность гидросмеси, что приводит к повышению энергозатрат на создание более высокого рабочего давления сжатого воздуха для вытеснения и подачи гидросмеси на поверхность и ставит задачу повышения эффективности применения ПКН.

                

Рис.6. Разработка залежи  воронковым 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 снаряда.

 

Данная задача принципиально может быть решена тремя способами:

  1. повторным использованием сбрасываемого в атмосферу отработанного воздуха, т.е. его рециркуляцией, путем сброса его не в атмосферу, а в накопительный ресивер большого объема с давлением в 3-4 атм для последующей подачи на вход компрессора с тем, чтобы компрессор производил начальное сжатие воздуха не с 1атм, а с 3-4атм, экономя тем самым энергию на создании рабочего давления в камерах.
  2. частичным сбросом сжатого воздуха в атмосферу и уменьшением давления воздуха в камере (после вытеснения гидросмеси  в напорный трубопровод) до величины, обеспечивающей перепад с внешним гидростатическим давлением воды достаточный для произведения всасывания. Тогда компрессор будет производить подкачку воздуха в камеру не с нуля, а с остаточной величины давления до рабочего, экономя тем самым энергию на создании рабочего давления в камерах.
  3. путем погружения камер не на полную глубину разработки, а на промежуточную глубину, уменьшая высоту подачи гидросмеси на поверхность и уменьшая, тем самым, рабочее давление воздуха [8].

Первый и второй способы до настоящего времени остаются не реализованными в виду отсутствия на рынке компрессоров и автоматических клапанов с требуемыми свойствами и параметрами. Их выпуск требует больших денежных затрат на проведение исследований, разработку и выпуск новой технической продукции.
При этом третий способ оказался довольно простым и эффективным, особенно при работе на больших глубинах, и все шире находит свое применение.
Оптимальные глубины погружения камер ПКН рассчитаны и установлены по пограничным условиям всасывания и подачи для различных значений плотности гидросмеси (от 1,3 до 1,9 тн/м3). Зависимость между глубиной разработки (h2 +h3) и оптимальной глубиной погружения камер h2 , длиной всасывающего трубопровода h3 и  плотностью  гидросмеси γ показана на Рисунке 7.
   

Рис.7. График оптимальной глубины погружения камер ПКН в зависимости от глубины разработки и плотности подаваемой гидросмеси: а-б –кривая глубин погружения камер ПКН для плотности смеси 1300кг/м3; в-г – кривая глубин погружения камер ПКН для плотности смеси 1900кг/м3; г-д-б - кривая максимальных глубин погружения камер ПКН при изменении плотности гидросмеси от 1300 до1900кг/м3; а-в – прямая минимального погружения h2 при нулевом значении h3.


Экспериментально эффективность данного решения была подтверждена при проведении дноработ в Северном море [7], когда с глубины -200м было поднято на поверхность несколько тысяч кубометров морского грунта, сильно загрязненного нефтью. При этом глубина погружения камер насоса составила всего -60м. Всасывание гидросмеси с отметки -200м осуществлялось по удлиненному всасывающему трубопроводу длиной в 150м через ГЗУ, подвешенном на отдельном тросе и погруженном на требуемую глубину разработки -200м. Рабочее давление компрессора при этом не превышало 13атм, а плотность поданной на поверхность гидросмеси составила 1,3 -1,6 т/м3. Аналогичная технологическая схема приведена на Рисунке 8.

 

Рисунок 8. Разработка несвязных полезных ископаемых  воронковым способом с промежуточным погружением насоса ПКН: 1- камеры ПКН; 3- ГЗУ; 4- всасывающий удлиненный пульпопровод; 5-выгружной пульпопровод и воздушные шланги; 6- трос подвешивания камер; 7-трос подвешивания ГЗУ; 8- подъемное устройство работы ГЗУ; 9-главное подъемное устройство; 10-напорный (выгружной) трубопровод; 11- плавсредство (земснаряд); 12- поднятая гидросмесь; 13- разрабатываемая порода.

КПД такой схемы погружения значительно превышает стандартную и составляет 0,74,  что сравнимо с КПД погружного грунтового насоса.
Кроме перечисленных выше возможностей производить разработку пород на глубине до -200м, подавать на поверхность гидросмесь с плотностью до 1,9т/м3 предлагаемые фирмой PNEUMA насосы ПКН имеют ряд других преимуществ:
1. Высокая всасывающая способность насосов ПКН позволяет производить грунтозабор (всасывание) рыхлых пород без  предварительного рыхления за счет использования внешнего гидростатического давления столба жидкости  и исключает необходимость применение как всевозможных быстро вращающихся рыхлителей ( фрез, шнеков и т.п.), так и гидрорыхления.
2. Высокая всасывающая способность насосов ПКН позволяют  производить грунтозабор и подачу гидросмеси на поверхность с очень высокой объемной концентрацией. Концентрация твердого в гидросмеси может составлять 50-70% (90% от плотности донного грунта в естественном сложении) против 20-25% при использовании погружных грунтовых насосов.
3. Отсутствие необходимости в рыхлении грунта обеспечивает насосам ПКН самые высокие экологические показатели как в водной среде, так и на берегу. Мутность воды в зоне забоя при использовании погружных ПКН в 2000 раз ниже, чем при работе обычного фрезерного земснаряда или драги [10].
4. ГЗУ погружного ПКН не имеет вращающихся деталей и при работе земснаряда совершает только поступательные движения со скоростью не более 1-3м/мин. Эта особенность позволяет вести разработку рыхлых пород воронковым способом при наличии в них крупных включений (булыжников, валунов, обломков пород) и техногенных залежей с наличием мусора (обрывки тросов, канатов, цепей, проволоки и т.п.) горизонтальным способом без частых остановок,  не опасаясь повреждения насоса,  а также дает возможность вести работы в местах с наличием взрывоопасных (бомб, снарядов, мин) и ценных (археологических) предметов.
5. Система ПКН фирмы PNEUMA очень компактна, состоит из погружных камер, распределителя воздуха (три варианта), воздушного компрессора, нескольких лебедок и небольшого дизель-генератора для их привода. Это позволяет устанавливать насосы ПКН на уже имеющиеся в наличие земснаряды, драги, понтоны, баржи, суда с минимальными экономическими затратами. Нет необходимости в строительстве нового земснаряда.
6. Существующая линейка насосов ПКН фирмы PNEUMA позволяет обеспечить производительность от 40 до 1800м3 пульпы за 1час эффективной работы при 50%-70% объемной концентрации твердого в гидросмеси.
7. Разнообразие насосов по производительности, сменных ГЗУ, распределителей воздуха с автоматическим регулированием и использование линейки стандартных воздушных компрессоров ( рабочее давление 10-13 атм) делает систему ПКН очень гибкой, и позволяет:
- вести работы как на мелководье, так и на очень больших глубинах в море;
- выполнять как очистку  дна, так и добычу полезных ископаемых со дна морей и внутренних водоемов;
- разрабатывать несвязные горные породы с сопротивлением пород сдвигу до 75 кН/м2;
8. Низкие эксплуатационные затраты в виду того, что в насосе отсутствую быстро трущиеся и вращающиеся  детали, и износу подвержены только шаровые клапана.
9.При использовании насосов ПКН транспортируется гидросмесь очень высокой концентрации, что делает не эффективным применение различного рода систем обезвоживания гидросмеси, особенно в случаях транспортировки илистых и глинистых фракций. Даже современные ленточные пресс фильтры  при такой концентрации твердого становятся неэффективными (они всего на 5-10% смогут увеличить концентрацию твердого в гидросмеси). Применение различных флоакулянтов и коагулянтов при такой концентрации твердого в гидросмеси становится не эффективным.
10.Данная технология с применением ПКН типа PNEUMA позволяет производить выемку илистых пород в водохранилищах гидроэлектростанций в непосредственной близости с плотиной, вести выемку породы практически с любой глубины даже при наличии сильного захламления дна водоема.
11. Производительность одного земснаряда, оборудованного насосами ПКН, при разработке мощного пласта отложений воронковым (или стволовым) способом при рабочих глубинах 0-200м, при необходимости может быть доведена до 3600м3/час по твердому и более. При этом используются только стандартные передвижные компрессора с рабочим давлением  воздуха до 10-13 бар.
12.Важным преимуществом приобретения насосов PNEUMA является тот факт, что любой Заказчик может приобрести для своих нужд не новый земснаряд, а лишь необходимое ему навесное оборудование, и сэкономить на этом несколько миллионов долларов США. Нет смысла заказывать и покупать в Италии понтон, который без проблем можно изготовить в России, или использовать уже имеющийся в вашем распоряжении понтон или баржу, подходящие для этой цели. Компрессор, лебедки, дизель-генератор и шланги так же без труда можно приобрести  на Российском рынке.
13. Невысокая стоимость продукции PNEUMA позволяет оснащать насосами ПКН различные плавсредства. Стоимость насоса ПКН, включая распределитель воздуха, составляет от 60.000 до 600.000 ЕВРО в зависимости от производительности и вида распределителя.
При таком подходе становится реальным с минимальными материальными затратами произвести дооснащение имеющихся земснарядов или драг и увеличить глубину разработки несвязных полезных ископаемых до требуемых глубин разработки, обеспечив эффективность и экологическую безопасность добычных работ [11].
Мы готовы выполнить необходимые расчеты и выбрать все необходимое вам основное и вспомогательное оборудование с учетом ваших условий работ. Предлагаем 30 летний опыт разработчика-производителя насосов ПКН фирмы PNEUMA и инжиниринговые услуги консультанта для решения проблем экологии, добычи, дноуглубления при реализации ваших проектов с использованием технологии высоко концентрированных гидросмесей фирмы EHT ENGINEERING (представитель фирмы PNEUMA по России).

По всем интересующим вас вопросам вы можете обращаться:
напрямую в фирму PNEUMA (на итальянском или английском языках)
tel.: +(39)3357030466,
e-mail: info@pneuma.it
или
в представительство фирмы PNEUMA по России и странам бывшего Союза
tel.: +(371)9158676
e-mail: vladementjev@mail.ru
Посмотрите наш сайт: www.pneuma.it

Литература:
1. Дементьев В.А., Абдельрасул Ахмед Мекки. Технология удаления и переработки донных отложений водохранилища Высотной Асуанской плотины. Журнал №12 «Гидротехническое строительство».М., 2004, с.40.
2. Ports and Dredging. Asweep in the deep. Giant VASCO DA GAMA gets the world’s largest deep dredging installation. Published by IHC Holland in 2002, E 157, p.2.
3. Дементьев В.А., Кожевников Н.Н.Устройства земснарядов для очистки глубоких водоемов от илистых отложений и применение пневматических грунтовых насосов. Журнал №1 «Гидротехническое строительство».М., 2005, с.25-30.
4. Бессонов Е.А. Технология и механизация гидромеханизированных работ. Справочное пособие для инженеров техников. Издательство «Центр», М., 1999, с.40.
5. Каталог “PNEUMA system” фирмы PNEUMA S.r.l., Италия, 2004.
6. Штин С.М. Озерные сапропели и их комплексное освоение. Издательство МГГУ, М., 2005, с.208-215.
7. Thermie Programme: promotion of energy technology in Europe. Журнал №13 «OIL & GAS Tehnology», июль 1994.
8. Дементьев В.А.  Определение оптимальных технологических режимов работы погружного грунтового пневматического насоса (ПГПН) при разработке рыхлых горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, №1, М.,2006, с.253-258.
9. Ялтанец И.М., Егоров В.К. Гидромеханизация. Справочный материал.
- М.: МГГУ, 1999.
10.Yasushi Takamura, Shiro Kasajima, Chujiro Mukai. Test report on dredging by S.I.R.S.I. PNEUMA pump system // The Japan Dredger Technical Society, No.95 – September 1974.
11. Дементьев В.А. Использование отстойников бункерного типа в технологиях очистки водоемов от донных отложений. Журнал №3 “Горный журнал”, М., 2005, с.65-66.