Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

Джоуля–Томсона в дросселях. Вихревая труба (ВТ) – это экономичное и надежное устройство, не имеющее трущихся частей, которое можно изготовить без применения сложных технологических процессов и дорогостоящего оборудования. Использование вихревых труб в совокупности с дросселями позволит достичь требуемой степени охлаждения [1].

Принцип работы устройства для утилизации ПНГ

На рисунке приведена технологическая схема устройства для сжижения попутного нефтяного газа, на котором изображено поэтапное снижение температуры газа [1].

Рис. Устройство для сжижения газа

Понижение температуры происходит поэтапно в каждом каскаде. Устройство (см. рисунок) имеет три каскада, каждый каскад содержит вихревую трубу и дроссель. На вход в устройство компрессор подает сжатый газ, который затем поступает в первую ВТ, где происходит эффект энергетического разделения газа (вихревой эффект) на охлажденный (синий) и подогретый (красный) потоки [1]. При закручивании в первой ВТ входного потока более тяжелые частицы, например, механические примеси и жидкость, отбрасываются к периферии ВТ и за счет центробежных сил отводятся через сепарационный узел, который представляет собой круговой ряд отверстий, после чего под действием силы тяжести механические примеси падают вниз и через нижнее отверстие направляются в емкость для сбора

281

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

механических примесей, а часть газа, отсепарированного вместе с примесями, уходит через верхнее отверстие, попадает в линию подогретого потока и, смешиваясь с ним, поступает в теплообменник [2].

При прохождении охлажденного потока через дроссель возникает эффект Джоуля–Томсона, при котором происходит изоэнтальпийное расширение газа, вследствие чего его температура дополнительно понижается.

Во втором каскаде происходит аналогичный процесс, но через сепарационный узел отделяются кристаллизованный диоксид углерода (CO2) и сконденсированный сероводород, поскольку температура кипения CO2 и сероводорода равна –57 и –60 °C соответственно, а во второй вихревой трубе, как видно на рисунке, температура понижается до –73°C. Подогретый поток второй ВТ поступает в теплообменник, расположенный после компрессора, где служит хладагентом, так как его температура ниже температуры газа на входе в устройство.

В третьем каскаде сепарационный узел не предусмотрен, так как основные нежелательные компоненты отделяются в первом и втором каскаде. Поэтому после ВТ охлажденный поток направляется в дроссель, после которого газ конденсируется и поступает в емкость для сбора конденсата. Подогретый поток после третьей ВТ поступает в теплообменник второго каскада, где служит хладагентом, так как его температура ниже температуры подогретого потока второй ВТ.

Достоинства данного устройства:

сжижение в непосредственной близости от добывающей скважины из-за малых габаритов и массы устройства;

высокая надежность ввиду отсутствия трущихся и вращающихся частей;

экономичность (ВТ и дроссели имеют сравнительно низкую стоимость);

использование в качестве хладагента части входного потока, нет необходимости в транспортировании и хранении внешних хладагентов (например, азота), при этом снижается себестоимость сжиженного попутного газа;

простота обслуживания и эксплуатации.

Перспективным направлением применения данного устройства является создание плавучих терминалов для сжижения природного газа на море, что избавит от необходимости транспортирования газа на берег для сжижения [3]. Также устройство можноиспользоватьдлянизкотемпературнойсепарацииПНГилиприродного газа.

Список литературы

1.Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. – Самара:

Оптима, 1997. – 184 с.

2.Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. – М.: Изд-во РГУ нефти

игаза им. И.М. Губкина, 2011. – 159 с.

3.Исследование процесса сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе / Ю.М. Ахметов, В.С. Жернаков [и др.] // Вестник УГАТУ. – 2011. – Т. 15,

№ 4. – С. 120–126.

282

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАВНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОДЪЕМНОГО СОСУДА В ШАХТНОМ СТВОЛЕ

А.Ю. Микрюков

Научный руководитель – д-р техн. наук, профессор Г.Д. Трифанов Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Приведено описание системы непрерывного контроля движения подъемного сосуда в шахтном стволе. Представлены результаты комплексных экспериментальных исследований динамики системы «подъемный сосуд – жесткая армировка».

Ключевые слова: непрерывный контроль, шахтный ствол, подъемная установка, скип, динамические нагрузки.

Движение подъемных сосудов по жестким направляющим проводникам сопровождается колебательными процессами в системе «подъемный сосуд – жесткая армировка» и динамическими нагрузками, возникающими вследствие ударов скипа о проводники в лобовых и боковых плоскостях. В практике эксплуатации шахтных стволов достаточно примеров, когда в течение суток между двумя осмотрами параметры проводников изменялись критически, обусловливая аварийные остановки подъема, связанные с обрывом шахтных проводников [1].

Необходимость увеличения пропускной способности шахтных стволов на калийных рудниках с учетом повышенных требований безопасности работы подъемной установки предполагает осуществление постоянного контроля параметров подъемной установки.

Оценка эксплуатации подъемных сосудов в стволах калийных рудников и состояния жестких направляющих проводников показала, что по ряду причин величина зазоров между проводником и предохранительным башмаком не выдерживается, что приводит к усилению динамических процессов в армировке, так как происходит увеличение значений амплитуды горизонтальных колебаний подъемных сосудов.

Одной из основных причин увеличения динамических нагрузок являются неисправности в работе роликоопор подъемных сосудов. Износ поверхности ролика, частые поломки роликового амортизатора, подшипников ролика приводит к тому, что подъемный сосуд контактирует с проводником не только через роликоопоры, но и через предохранительные башмаки в результате чего они быстро изнашиваются. В этом случае даже при соблюдении нормативных зазоров между контактными поверхностями предохранительных башмаков и проводников [2] при движении скипа возникают значительные колебания скипа в горизонтальной плоскости. Эти колебания и удары башмаков о проводники приводят к постепенному ухудшению состояния армировки.

Для непрерывного контроля состояния системы «подъемный сосуд–жесткая армировка» разработана система непрерывного контроля плавности движения скипов. Система включает в себя трехосевой датчик ускорения, блок обработки информации и антенну, установленные на скипе. Информация со скипа передается на приемник, установленный на копре, и далее поступает на панельный компь-

283

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ютер. На компьютере информация с датчиков обрабатывается, визуализируется и записывается в архив. Результаты измерении ускорения скипа в трех направлениях: вертикальном, лобовом и боковом в горизонтальной плоскости привязаны к положению скипа в шахтном стволе.

Система непрерывного контроля осуществляет:

–вывод информации на экране рабочей станции в виде графиков и текущих значений ускорений в режиме реального времени;

–хранение зарегистрированной информации в энергонезависимой памяти рабочей станции;

– возможность просмотра сообщений архива на экране рабочей станции с функциями привязки по отметкам ствола, определения цикла работы подъемной установки (спуска или подъема скипа), данных с датчиков (на опасных участках ствола, без остановки процесса регистрации сигналов).

В период осмотра ствола основной задачей являлось определение реального технического состояния и уровень аварийной опасности, выявление и локализация аварийно опасных и потенциально опасных участков ствола. По данным системы контроля произведен осмотр участков с аномально большими горизонтальными амплитудами колебания подъемного сосуда, повторяющимися из цикла в цикл. В двух случаях на разных отметках на проводниках были заметны закаменелые наросты соли, влияющие на движение подъемного сосуда, вызывая его интенсивную раскачку. Системой зафиксированы ускорения подъемного сосуда в лобовом и боковом направлениях (на диаграммах видны пики ускорения скипа в боковой плоскости (рисунок)).

Отклонение шахтных проводников от вертикали в лобовой плоскости яруса – 104 способствуют появлению горизонтальной скорости подъемного сосуда. Возникает отклонение скипа от положения равновесия. Величина стыка двух шахтных проводников на данном участке составляет 20 мм, что связанно с нарушением правил безопасности [2, 3]. При многократном (непрерывном) получении данных систем непрерывного контроля можно установить влияние отклонения профиля проводников на характер динамического взаимодействия скипа на стыках проводников.

График на рис. 1 показывает, что величина максимального значения ускорения, зафиксированного системой, составляет 6 м/с2, при скорости движения подъемного сосуда 9,3 м/с, максимальная амплитуда ускорения подъемного сосуда располагается выше нормальных пределов движения подъемного сосуда на 50 %. Из графика видно, что отклонения проводников от проектного профиля выше 20 мм является недопустимым, так как это может привести к росту динамических нагрузок и как следствие к серьезной аварии. Увеличение амплитуды ускорения скипа на данном участке на 3–5 % в течении определенного времени (24–48 часов) способствует появлению аварийного режима работы подъемной установки. Наибольшие значения амплитуды ускорения вызваны отклонением проводников от вертикальной оси, они возникают при подъеме груженого скипа, т.е. постоянно существуют условия для появления в армировке горизонтальных динамических нагрузок. Навсех циклах работы ШПУ при данной неисправности роликоопоры системой было зафиксировано значительноеувеличение ускоренияскипаповсемпоказателям.

284

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

Рис. Графики ускорения скипа в лобовой, боковой и вертикальной плоскости при прохождении 104-го яруса

Система непрерывного контроля прошла промышленные испытания, показала работоспособность в условиях агрессивной солевой среды калийных рудников. Система позволяет непрерывно контролировать состояние армировки и подъемного сосуда. Использование данной системы позволит уменьшить время проведения визуального контроля, а также исключить влияние человеческого фактора на работу подъемной установки.

Система обеспечивает объективный контроль и оценку состояния армировки шахтного ствола, достаточно четко реагирует на дефекты стыков проводников, на любое изменение профиля проводника, а также на дефекты роликоопор.

Список литературы

1.Трифанов Г.Д. Микрюков А.Ю. Непрерывный динамический контроль жесткой армировки вертикальных шахтных стволов // Горное оборудование и элек-

тромеханика. – 2013. – № 11. – С. 6–10.

2.Правила безопасности в угольных шахтах. Сер. 05, Вып. 40 // Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности; Науч.-техн. центр исслед. проблем промышленной безопасности. – М., 2014. – 200 с.

3.Современные системы безопасности при эксплуатации действующих шахтных подъемных установок / Г.Д. Трифанов, А.А. Князев, М.Г. Трифанов, М.А. Стрелков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2011. – № 1. –

С. 173–188.

285

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ И ПОРОД

А.А. Пермякова

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент А.К. Муравский Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Выполнен краткий обзор классификаций грунтов и пород, представлены аналитические выражения, взаимосвязывающие коэффициент крепости горной породы, число ударов плотнометра ДорНИИ и параметр, определяющий удельную силу резания, рассмотрены области использования различных классификаций грунтов и пород.

Ключевые слова: грунт, порода, классификация грунтов и пород, физикомеханические свойства и показатели грунтов и пород.

Показатели физико-механических свойств грунтов и пород широко используются в формулах для определения сил резания и копания. Эти показатели отражают взаимосвязь между физико-механическими свойствами грунтов и пород и силами резания и копания.

Широко распространена классификация горных пород по крепости, разработанная в начале XX в. профессором М.М. Протодьяконовым. Она является одной из первых классификаций пород и основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании. М.М. Протодьяконов полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. В качестве показателя физико-механических свойств породы используется коэффициент крепости горной породы f, который характеризует сопротивление горной породы общему разрушению.

Значение коэффициента крепости определяется по формуле [1]

f 10сж ,

где ñæ – сопротивление породы одноосному сжатию, МПа.

В строительной отрасли часто используется шкала профессора А.Н. Зеленина. Применительно к одноковшовым универсальным экскаваторам при работе в немерзлых и мерзлых грунтах впервые была утверждена ГОСТ 9693-67 и введена с 01.01.1968 г. для обязательного применения при производстве земляных работ. В качестве показателя, характеризующего физико-механические свойства грунта, используется число ударов С плотномера ДорНИИ [2].

Ю.А. Ветровым была предложена классификация грунтов по параметру mсв (среднемаксимальному удельному сопротивлению свободному срезу при угле резания 45º) [3]. Значение mсв может быть определено специальным прибором, разработанным в Киевском инженерно-строительном институте – эталонным ножом. Параметр mсв находится в результате определения силы блокированного резания острым ножом при двух значениях ширины среза, одинаковой глубине резания и угле резания 45º.

286

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

Шкала коэффициента крепости горной породы М.М. Протодьяконова включает с I (f = 20) по X (f = 0,3) категорию грунтов и пород. Шкалы А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова имеют восемь категорий грунтов и пород: с I (С = 1–4; mсв до

0,5·10–1 МПа) по VIII (С = 280–560, mсв = 20,0–30,0 10–1 МПа). Категории грунтов и пород по шкале М.М. Протодьяконова увеличиваются по мере уменьшения крепости грунтов и пород. Категории грунтов по шкалам А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова, наоборот, в отличие от шкалы М.М. Протодьяконова, возрастают по мере увеличения крепости грунтов и пород.

Использование разными учеными для определения сил резания и копания, а также для классификации грунтов и пород различных показателей физикомеханических свойств грунтов и пород создает определенные трудности при сопоставлении этих показателей.

В работе [4] представлена взаимозависимость между сопротивлением породы одноосному сжатию ñæ , МПа, и числом ударов С плотномера ДорНИИ:

сж 30С .

Вкачестве связи между параметром mсв, МПа, и сопротивлением породы одноосному сжатию сж выявлена взаимосвязь [3]

mсв 0,21 сж.

Соответственно,

m

сж 0,21cв .

Подставляя (2) в (1), можно записать f 300С .

Подставляя (3) в (1), можно записать f m2,1св .

Таким образом,

С 300 f , mсв 2,1 f , mсв 0,007С.

287

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Если mcв, 10–1 МПа, как это представлено в [3], то mсв 21 f .

mсв 0,07С.

Согласно приведенным выше закономерностям граница шкалы М.М. Протодьяконова (X категория, f = 0,3) соответствует V категории (С = 70–140, mсв = 5,0–10,0·10–1 МПа) по шкалам А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова.

Верхняя граница шкалы А.Н. Зеленина (VIII категория, С = 560) соответствует VIa–VI категории (f = 1,5–2) по шкале М.М. Протодьяконова.

Шкала А.Н. Зеленина несколько больше охватывает диапазон крепких грунтов и пород по сравнению со шкалой Ю.А. Ветрова. По шкале Ю.А. Ветрова максимальное значение mсв = 30,0 10–1 МПа (VIII категория), что соответствует по шкале А.Н. Зеленина С = 429 (максимальное значение С = 560, VIII категория).

Верхняя граница шкалы Ю.А. Ветрова (VIII категория, mсв = 30·10–1 МПа) соответствует верхней границе шкалы А.Н. Зеленина (VIII категория, С = 280–560) и VII–VIa категории (f = 1–1,5) по шкале М.М. Протодьяконова.

Нижняя граница шкалы Ю.А. Ветрова (I категория, mсв до 0,5·10–1 МПа) соответствует по шкале А.Н. Зеленина I (С = 1–4) и II (С = 5–8) категориям [5].

На рисунке наглядно представлена взаимосвязь между шкалами Ю.А. Ветрова, А.Н. Зеленина, М.М. Протодьяконова.

Рис. Взаимосвязь между шкалами: а – шкала Ю.А. Ветрова; б – шкала А.Н. Зеленина; в – шкала М.М. Протодьяконова

Шкала М.М. Протодьяконова частично перекрывает шкалы А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова. Область взаимного наложения шкал – от X по VI категории по шкале М.М. Протодьяконова, что соответствует V–VIII категориям по шкалам А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова.

Таким образом, можно сделать вывод, что ни одна из трех рассмотренных шкал, характеризующих физико-механические свойства грунтов и пород, не охватывает весь диапазон грунтов и пород.

288

Секция 6. Горные и нефтепромысловые машины и оборудование

Область использования шкалы М.М. Протодьяконова – классификация значительно более крепких грунтов и пород, чем это позволяют сделать шкалы А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова.

Шкалы А.Н. Зеленина и Ю.А. Ветрова близки по содержанию друг к другу, их применение возможно в диапазоне от весьма слабых грунтов и пород (песок, супесь, легкие суглинки без включений и т. п.) до предельно крепких для разработки резанием землеройных машин (в частности, замерзшие глинистые грунты при температуре до минус 200 С).

Список литературы

1.Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: учебник для вузов. –

М.: Изд-во МГГУ, 2007. – 680 с.

2.Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. – М.: Машиностроение, 1975. – 424 с.

3.Ветров Ю.А., Баладинский В.Л. Машины для специальных земляных работ. – Киев: Вища школа, 1980. – 192 с.

4.Недорезов И.А., Савельев А.Г. Машины строительного производства: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 119 с.

5.Пермякова А.А. Чепкасова О.А. Муравский А.К. О взаимосвязи между показателями физико-механических свойств грунтов и пород // Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: материалы XIII Междунар. науч.-техн. конф. г. Екатеринбург, 16–17 апреля 2015 г. – Екатеринбург, 2015. – С. 107–110.

289

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ САМОХОДНЫХ ВАГОНОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ

В.А. Романов

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Д.И. Шишлянников Пермский национальный исследовательский университет

Представлены результаты исследований работы приводов шахтных самоходных вагонов, применяемых на калийных рудниках. Обобщены опытные данные об особенностях эксплуатации самоходных вагонов. Приведены технические решения и рекомендации для повышения эффективности их эксплуатации и совершенствования конструкции шахтных самоходных вагонов.

Ключевые слова: шахтный самоходный вагон; нагруженность приводов; параметры режима работы; эффективность эксплуатации.

Для предприятий, осуществляющих добычу калийной руды подземным способом, актуальными остаются задачи повышения эффективности использования выемочных и транспортирующих машин, увеличения производительности и эксплуатационной надежности, уменьшения материальных затрат на поддержание работоспособности горнодобывающего оборудования. В настоящее время на калийных рудниках РФ принята камерная система отработки пластов с использованием механизированных комбайновых комплексов, в состав которых входят про- ходческо-очистные комбайны, бункер-перегружатели и шахтные самоходные вагоны (ШСВ). Наибольшее распространение получили двухосные самоходные вагоны 5ВС-15М и трехосные вагоны ВС-30, грузоподъемностью 15 и 30 тонн соответственно производства ЗАО «УГМК Рудгормаш» (г. Воронеж).

Увеличение энерговооруженности современных проходческо-очистных комбайнов позволяет обеспечить техническую производительность до 7–8 т/мин. В то же время производительность используемых на рудниках шахтных самоходных вагонов в 2–2,5 раза ниже и определяется расстоянием доставки (таблица) [1].

Производительность доставки ШСВ

Высокие грузоподъемность и энерговооруженность вагонов ВС-30, по данным ОАО «Уралкалий», обусловливают увеличение эффективности транспортирования руды в очистных камерах на 20–25 % [2]. Однако в ходе эксплуатации вагона ВС-30 выявлены недостатки, определяющие необходимость дальнейшего совершенствования конструкции и технологических схем работы ШСВ: трехосная компоновка вагона обусловливает увеличение времени маневровых операций;

290