К вопросу оптимизации параметров гидротранспортной технологии

Цифровая трансформация в геологоразведке и горнодобывающей промышленности приводит к появлению новых представлений об оценке эффективности применяемых технологий. Особенно это касается вопроса оптимизации работы отдельных звеньев сложных промышленных систем, к которым относится технология гидравлического транспортирования минерального сырья.

Напорное гидравлическое транспортирование горной массы (руды, породы, закладочных материалов и т. д.) является прогрессивным техническим направлением, так как в определенных геологических и горнотехнических условиях позволяет объединить процессы очистных работ, транспорта и переработки горной массы в одну поточную линию.

Другими словами, гидравлическое транспортирование на горных предприятиях следует рассматривать как основу поточной технологии, включающей перемещение горной массы под землей, водоотлив, подъем на поверхность, транспорт на поверхности, подготовку сырья к последующей переработке.

Эта технология позволяет управлять техническими и технологическими параметрами процесса транспортирования сырья, воздействовать на технико-экономические показатели основных стадий горно-обогатительного производства для повышения его эффективности [3].

Рассмотрение гидравлического транспортирования как технологии накладывает свои требования к оптимизации технологических параметров всех процессов горного производства, на которые этот вид транспорта оказывает влияние.

Специфические особенности гидротранспорта и большое число факторов, определяющих его эффективность, затрудняют полную формализацию взаимосвязей основных процессов гидротранспорта между собой и другими звеньями горно-обогатительного производства. Вследствие этого выбор рационального варианта транспортной схемы и оптимизация ее параметров являются сложной многофакторной задачей.

Разработка месторождений полезных ископаемых с использованием гидротранспортной технологии изменяет качественные и количественные показатели их эксплуатации. Это особенно касается подземного способа разработки рудных залежей, где преимущества указанного способа транспортирования в благоприятных условиях проявляются наиболее значимо.

На практике возможны следующие варианты технологических схем гидротранспортирования при подземной разработке минерального сырья [2][7].

Вариант 1. Гидротранспорт руды под землей и на поверхности с одновременной промывкой и обогащением руды в процессе гидротранспортирования (богатые железные руды Яковлевского месторождения КМА и др.).

Вариант 2. Гидроподъем и гидротранспорт руды, попутная промывка руды и отделение шламов, повышение извлечения полезных компонентов при обогащении (свинцово-цинковые и баритовые руды Салаирского месторождения и др.).

Вариант 3. Рудничный гидравлический транспорт компонентов твердеющей закладочной смеси с утилизацией пород горнопроходческих выработок без выдачи пород на поверхность (североуральские бокситовые месторождения и др.).

Вариант 4. Раздельная отработка руд разного качества, предварительное обогащение руды под землей с выделением пустой породы, гидротранспорт обогащенной руды на поверхность к месту дальнейшей переработки, пустой породы — под землей для закладки выработанного пространства (богатые железные руды и железистые кварциты КМА и др.).

Вариант 5. Полный цикл обогащения руды под землей с выдачей гидротранспортом готового концентрата на поверхность и размещением хвостов обогащения в подземных горных выработках (руды цветных и редких металлов и др.).

Возможны и другие варианты технологических схем гидротранспорта сырья, в частности при комбинированной (открыто-подземной) разработке месторождения, при доработке прибортовых запасов, при повторной разработке, при разработке в сложных горно-геологических и климатических условиях [7]. Может оказаться целесообразным применение этой технологии параллельно с использованием традиционных способов транспорта — железнодорожного, конвейерного, автомобильного.

Все это усложняет математическую интерпретацию технологического процесса гидротранспортирования в целом, так как каждый вариант носит частный характер. Общим для всех вариантов является влияние крупности транспортируемого куска на гидравлические, технологические и в итоге на экономические показатели гидротранспортной технологии. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Оптимальный размер транспортируемого куска может быть различным для различных технологических процессов, осуществляемых при реализации рассматриваемой технологии, в том числе при:

• подготовке горной массы (руды, породы) к гидротранспортированию (дробление, измельчение, пульпообразование и др.);
• гидротранспортировании (потери напора при движении воды и гидросмеси, износ оборудования и трубопроводов и др.);
• обезвоживании и складировании готового продукта (руды, породы, хвостов и др.).

Эффективность перечисленных процессов в их экономическом содержании в значительной степени зависит от крупности транспортируемого куска.

Отбитая горная масса перед гидротранспортированием подвергается дроблению и измельчению до крупности, определяемой требованиями технологии дальнейшей переработки (сгущение, обогащение, складирование и др.), при этом для каждого процесса будет свой оптимальный размер куска. Вместе с тем процесс дробления (измельчения) руды весьма трудоемкий и затратный и составляет до 50% от стоимости отбитой руды.

Применяемые в настоящее время на шахтах дробильные устройства позволяют получать продукт крупностью 6—15 мм. При такой крупности кусков руды (например, богатые железные руды) возможно лишь их предварительное обогащение. Глубокое обогащение может быть достигнуто лишь после доведения крупности куска руды до размеров 1 мм и меньше, то есть они требуют измельчения. Этот процесс весьма дорогостоящий и, как правило, на обогатительных фабриках с целью экономии электроэнергии и уменьшения износа оборудования процесс дробления осуществляют в несколько стадий, разделенных процессами грохочения (классификации) для выделения фракций определенной крупности, чтобы не подвергать их повторному дроблению.

Кроме того, следует учитывать, что крупность частиц, кроме других факторов, определяет величину потерь напора при их гидравлическом транспорте. Поэтому то, что может быть оптимальным с точки зрения энергопотребления при дроблении (измельчении), может не соответствовать минимальным энергозатратам при гидротранспорте.

Исследования показывают [8], что чем больше крупность транспортируемого материала, тем больше потери напора, однако до определенного значения — примерно до 3 мм — при дальнейшем увеличении крупности куска кривая удельных гидравлических сопротивлений (потерь энергии при движении гидросмеси) выполаживается, что объясняется кинематическими особенностями перемещения частиц грубодисперсной фракции [5].

Подобная ситуация с оптимизацией крупности транспортируемого материала возникает и при анализе влияния ее на степень износа трубопроводов и оборудования при гидротранспорте, затрат на обезвоживание и складирование сырья.

Что касается износа трубопроводов при гидротранспорте, то этот показатель является одним из основных при оценке эффективности гидротранспортных систем.

Общий износ трубопроводов складывается из износа от трения скольжения и качения частиц по стенке, кавитационного износа, износа от удара частиц под разными углами о стенку, коррозионного износа от воздействия обогащенной кислородом гидросмеси, износа от гидравлических ударов.

Экспериментами и теоретическими исследованиями установлено, что в обычных условиях транспортирования дробленых руд, при скоростях больше критической, основная роль в износе принадлежит ударному износу [1][5]. Он уменьшает наклеп, образующийся при волочении частиц по нижней стенке трубопровода, приводит к образованию наружных микротрещин в стенке и тем самым стимулирует более интенсивное протекание других видов износа (коррозии, кавитации).

Исследованиями доказано, что, начиная с некоторого значения максимального размера транспортируемого куска, увеличение крупности частиц не оказывает существенного влияния на величину износа трубопровода. При этом на величину ударного износа плотность и размер твердых частиц влияют сильнее, чем скорость их перемещения. Это обстоятельство может быть определяющим при установлении предельной крупности дробления (измельчения) рудной массы перед гидротранспортированием.

Отмеченные особенности влияющих факторов при оценке эффективности гидротранспортной технологии не ограничиваются только значением крупности транспортируемого материала. Множество других факторов, в том числе плотность руды, объемная концентрация и скорость движения гидросмеси, содержание в ней тонких фракций (крупностью менее 0,2 мм), диаметр трубопровода и др. также оказывают определенное влияние, и прежде всего на энергоемкость процесса транспортирования.

В общем случае характер изменения финансовых затрат и результатов оценки эффективности гидротранспортной технологии всегда относится к конкретному месторождению, к принятой технологической схеме, используемому оборудованию.

Математическое описание оптимального варианта технологии гидротранспорта минерального сырья в каждом случае будет частным, в известной степени оригинальным.

Вместе с тем задача оптимизации может быть решена с привлечением технологии цифровых двойников (Digital Twin), которая получает все большее распространение в промышленности, в том числе и при оптимизации транспортных систем.

Цифровой двойник — это программный аналог промышленного объекта (изделия, технологии, транспортного потока и др.), моделирующего в режиме реального времени внутренние процессы, технические характеристики и поведение объекта в условиях влияния случайных воздействий и окружающей среды, параметры которых передаются с датчиков реального объекта [4][6].

Цифровой двойник связан с реальным объектом через облачный сервис, что позволяет собирать, накапливать и анализировать полученную с датчиков информацию, обрабатывать ее в виде математических моделей внешнего вида, оперативно корректировать режимы и параметры рабочих процессов объекта. Эта технология позволяет решать задачи управления не только отдельными технологическими процессами, производственными линиями, но и предприятием в целом.

Применительно к поставленной задаче оптимизации параметров процесса гидротранспортирования минерального сырья материальной основой ее решения являются интегральные характеристики напорного движения рудных и породных гидросмесей, полученные учеными МГРИ и другими исследователями, представляющие собой уникальную научную и практическую базу для проектирования и рационального использования прогрессивной гидротранспортной технологии на горных предприятиях.

В заключение отметим, что создание системы математических и компьютерных моделей (цифрового двойника) для оптимизации параметров гидротранспортной технологии на объектах горнодобывающей отрасли в каждом конкретном случае потребует предварительного детального технико-экономического обоснования целевой функции: минимизации затрат, либо максимизации прибыли, либо нечто иного, например обеспечения необходимого уровня надежности, безопасности, минимального ущерба окружающей среде и т.д.

ВКЛАД АВТОРОВ / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Панов Ю.П. — разработал концепцию и подготовил текст статьи, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Брюховецкий О.С. — разработал концепцию и подготовил текст статьи, окончательно утвердил публикуемую версию статьи и согласен принять на себя ответственность за все аспекты работы.

Yuri P. Panov — collected material, developed the concept and prepared text of the article, finally approved the published version of the article and agree to take responsibility for all aspects of the work.

Oleg S. Bryukhovetsky — collected material, developed the concept and prepared text of the article, finally approved the published version of the article and agree to take responsibility for all aspects of the work.