При эксплуатации гидрокомплексов в постоянно изменяющихся горнотехнических условиях возникает необходимость текущего контроля и поддержания технологических параметров подаваемой гидросмеси (расхода и объемной плотности), принятых при проектировании, которые нередко отличаются от реальных показателей при эксплуатации [6][8][11].

Однако на многих предприятиях, ведущих разработку осадочных месторождений средствами гидромеханизации, либо отсутствует систематический контроль основных параметров гидротранспортирования — расхода и концентрации гидросмеси, определяющих часовую производительность грунтонасоса по горной массе, — либо осуществляется эпизодически [3][5]. Это не позволяет регулировать текущие режимы технологического процесса и, как следствие, повысить эффективность работы всего гидрокомплекса.

Анализ выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры [5][6][11]: расходомеров (электромагнитных, ультразвуковых, доплеровских, дискретно-непрерывного вероятностного метода и др.), а также плотномеров и консистометров (радиоактивных, диэлькометрических, кондуктометрических и др.) различных конструкций показывает, что, несмотря на их разнообразие, эксплуатационные качества выпускаемых приборов-датчиков неоднозначны. До настоящего времени они не применяются из-за сложности конструкций электронных схем, необходимости периодической корректировки «нуля» и последующей тарировочной поверки приборов из-за колебаний электрофизических свойств перекачиваемых гидросмесей, различных по своим характеристикам. Сложность, а нередко и невозможность использования большинства такой аппаратуры дополняются трудностью их монтажа в условиях работы передвижных гидрокомплексов, продвигающихся вместе с фронтом горных работ, а также необходимостью обслуживания указанной контрольно-измерительной аппаратуры высококвалифицированным персоналом, в т. ч. в отдаленных горно-технических условиях разработки [7][12].

На практике нередко при гидротранспортировании применяют расходомеры, в которых используется метод переменного перепада давлений, конструктивно характеризующийся различными сечениями определенного размера участка трубы [4][10]. В них при отборе разности давлений в транспортном трубопроводе и сужающем устройстве фиксируются местные гидравлические сопротивления в виде потерь напора, которые измеряются дифференциальными манометрами, что позволяет в результате использования уравнений непрерывности и Бернулли интерпретировать ее в расход жидкости [14].

Из всех сужающих измерительных устройств (диафрагма, сопло и др.) наиболее распространенным является расходомер типа трубы Вентури. При всех его преимуществах: определение мгновенного и суммарного расхода, простота изготовления и монтажа, отсутствие дополнительной тарировки — при эксплуатации калибровочное сужающее устройство подвергается сравнительно быстрому истиранию [6][9][13]. Так, при наработке его в течение ~650 часов технологический ресурс составил 110 500 м³. За этот период коэффициент расхода µ уменьшился до 0,91, что увеличило погрешность до ~6%. Поэтому для точности измерений большое значение имеет постоянство проходного сечения трубопровода.

Более технологичным в гидродинамическом отношении является расходомер переменного перепада давления с расширяющим устройством типа «труба анти-Вентури». В нем обеспечивается минимальное (либо полное отсутствие) влияние абразивности транспортируемой среды без непосредственного контакта с измерительными элементами.

Прототипом расходомера переменного перепада давления с расширяющим устройством (в отличие от трубы Вентури) по внешнему конструктивному оформлению можно считать прибор В.В. Длоугого [1], разработанный для измерения консистенции гидросмеси на наклонном участке всасывающего трубопровода земснаряда.

В дальнейшем его конструкция была видоизменена, так как функциональным назначением его являлось измерение расхода гидросмеси, которое отличалось следующими признаками:

В качестве расходомера гидросмеси труба анти-Вентури на практике впервые использовалась специалистами Института гидромеханики и гидравлики Академии наук Украины при земснарядном способе добычи гравийно-песчаного материала [7], а затем расходомеры различных конструкций и параметров успешно проходили апробацию сотрудниками МГРИ при гидромониторно-землесосной разработке россыпных месторождений цветных полезных ископаемых на карьерах Украины (Иршинский ГОК, Верхне-Днепровский ГМК), а также России — прииск «Экспериментальный» (Магаданская область) [2].

Таким образом, в комплекс тарировочных измерительных узлов для испытаний системы оперативного контроля режима работы гидротранспортной установки включены расходомеры переменного перепада давления с сужающим устройством (труба Вентури) и расширяющим устройством (труба анти-Вентури).

Опытно-промышленные испытания всей аппаратурной цепи расходомеров и плотномеров переменного перепада давления (апробация) проводились на Иршинском ГОКе (рис. 1). Основным базовым измерительным полигоном являлся карьер экскаваторно-гидравлических работ при добыче каолинизированных ильменитсодержащих песков.

Кроме того, в аппаратурную цепь входили расходомер воды — камерная диафрагма ДК-25-450 и счетчик чистого времени работы комплекса, а также гидростатический плотномер с шаровым датчиком К.В. Диминского (рис. 2). Кроме того, значения плотности гидросмеси регулярно контролировались объемно-весовым способом с тарировочной емкостью объемом 100 л, установленной на весах.

Общая измерительная схема параметров гидротранспортирования при проведении опытно-промышленных тарировочных испытаний показана на рисунке 2.

Основным их поверочным измерительным устройством являлся электромагнитный расходомер типа «Индукция-51» с классом точности 1,5% и пределом измерения расхода жидкости 2500 м³/час.

На рисунках 3 и 4 показан профильный участок трубопровода с внутренним диаметром 410 мм, на котором смонтированы указанное нестандартное оборудование приборов переменного перепада давления.

Учитывая, что рассмотренные измерительные системы по принципу действия являются устройствами переменного перепада давления, для оценки и обоснования производительности гидродинамического расходомера (труба анти-Вентури) нами был принят аналогичный методический подход, основанный на совместном решении уравнений неразрывности и Бернулли для трубы Вентури. Исходя из этого пропускная способность транспортирования гидросмеси определяется по уравнению [9]:

(1)

где d — диаметр трубопровода, мм; D — диаметр расширенной части расходомера, мм; ρ — плотность жидкости, кг/м³; ∆р — перепад давления, м вод. ст.; ∆Н — потерянная часть давления, идущая на преодоление общего сопротивления измерительного участка трубопровода.

Все параметры, входящие в уравнение (1), за исключением ∆р и ∆Н, и зависящие от конструктивных особенностей обозначим через параметр К, равный:

(2)

В итоге с учетом потерь энергии ∆Н, возникающих в измерительном участке, уравнение для определения производительности гидродинамического расходомера с расширяющим устройством будет иметь вид:

(3)

Однако установленное уравнение не учитывает конкретные значения потерь давления в расходомере ∆H, которые определяются коэффициентом расхода μ, устанавливаемым по результатам тарировочных опытно-промышленных исследований. При этом проводилось одновременно промышленное тестирование расходомеров переменного перепада давления: диафрагмы ДК-25-450, трубы Вентури типоразмера 410/306 мм, трубы анти-Вентури 510/348 мм при гидротранспортировании по трубопроводу с внутренним диаметром 410 мм и определены их коэффициенты расхода α, соответственно, равные 0,96, 0,975 и 0,98.

В результате рекомендовано уравнение пропускной способности транспортирования «трубы анти-Вентури» для жидкости:

(4)

Анализ тарировочных испытаний и аналитических исследований расчетных показателей местных гидравлических сопротивлений ∆H показал, что коэффициент расхода μ зависит от основных геометрических характеристик диффузора (расширяющего устройства): угла расширения α, степени расширения n = S1/S2 (где S1 и S2 — соответственно, площади сечения расширенной и суженной частей), а также длины диффузора ld, режима течения (числа Рейнольдса).

Взаимосвязь основных геометрических параметров расходомера с возникающими при этом в нем потерями энергии установлена аналитически и представлена на рисунках 5—7.

Как видно из рисунка 7, с уменьшением угла расширения α длина диффузора ld увеличивается, что сопровождается малыми потерями энергии. На практике не всегда возможно применять длинные диффузоры с малыми углами расширения ввиду значительных габаритных размеров, их массы, усложнения конструкции, а также монтажа и эксплуатации. В результате проведенных исследований были установлены оптимальные значения геометрических параметров: α = 5÷7° при ld = 0,8÷2,8 м [5].

Установлено, что с увеличением угла расширения α от 5° до 25° потери энергии в виде перепада давлений ∆р повышаются более чем в 6 раз, а при возрастании степени расширения n увеличиваются незначительно, хотя сами потери имеют высокие значения.

Разработка и апробация измерительных устройств для текущего контроля и регулирования параметров гидротранспортирования в двух технологических вариантах: в стационарном (на обогатительной фабрике, рис. 9) и передвижном (на санях, рис. 8) при работе гидромониторно-грунтонасосной установки ГрТ-1600/50 в различных заходках при перемещении фронта горных работ позволили осуществить в ритме производственного процесса оперативное управление всего гидродобычного комплекса «карьер — обогатительная фабрика».

Организация оперативного контроля режимов работы гидрокомплекса позволила заметно исключить длительную малопроизводительную работу оборудования; повысить полноту извлечения полезного компонента за счет стабильной подачи гидросмеси из карьера на обогатительную фабрику; своевременно принимать меры при опасности возникновения аварийных ситуаций, повысить производительность труда; снизить себестоимость конечной продукции.

Результаты апробации системы оперативного контроля и управления гидродобычей карьера экскаваторно-гидравлических работ выражаются также в тесной взаимосвязи с эргономическими факторами, присущими взаимодействию деятельности человека с элементами оптимизации производительности технологического процесса, который заключался в разработке и испытаниях новой конструкции кабины гидромониторщика с пультом управления, включающего панели для размещения пусковых устройств технологического оборудования, контрольно-измерительных приборов, регистрирующих мгновенные и суммарные значения параметров гидротранспортирования, а также отсеки бытового назначения (рис. 10, 11).