深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速的研究.docx

1、總第125期西部探礦工程seriesNo.1252006年第9期WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERINGSept.2006文章編號(hào)：10045716(2006)09007203中圖分類號(hào):TD8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速的研究林愉，唐軍(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西敦州341000)摘要：通過對(duì)深海采甫水力提升系統(tǒng)m沉降速度的討論，可知沉降速度與該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流ii有關(guān)。當(dāng)沉降速度大于試算經(jīng)濟(jì)流速時(shí)，應(yīng)將沉降速度作為該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速，反之則取其本身。從經(jīng)濟(jì)因未由發(fā)，分析了影響經(jīng)濟(jì)流速的主要因素，建立了總費(fèi)用敷學(xué)模型，指出當(dāng)總費(fèi)用取最4、值時(shí)，對(duì)應(yīng)的各參敷

2、為深海朱，水力提升系統(tǒng)爰優(yōu)參數(shù)遇過數(shù)位模擬表明由此得到的經(jīng)濟(jì)流速與生產(chǎn)實(shí)際相符.關(guān)詞：沉降速度；經(jīng)濟(jì)流速：經(jīng)濟(jì)管徑；水力提升1概述法國(guó)G.Herrouin博士1984年對(duì)深海采礦水力提升系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)研究，認(rèn)為深海采礦采用水力提升優(yōu)于其它提升方法.最為經(jīng)濟(jì).目前國(guó)內(nèi)外深海采礦水力提升系統(tǒng)的投資決策主要采用3種模式，即財(cái)務(wù)模擬模式、成本模式和資金流動(dòng)模式.它們僅從經(jīng)濟(jì)因素出發(fā)，討論深海采礦水力提升系統(tǒng)的收益和回報(bào)率，而對(duì)深海采礦水力提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)幫助很小。當(dāng)前，就深海采礦水力提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，不僅要高效、節(jié)能，而且還要可靠、投資回報(bào)率高、管理運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低.因此人們更加關(guān)注的是提升系統(tǒng)的性價(jià)比和經(jīng)濟(jì)

3、性，其中經(jīng)濟(jì)流速是一個(gè)重要的衡量參數(shù)。從液固兩相流管道輸送的必要條件和投資運(yùn)營(yíng)成本兩個(gè)方面探討影響深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速的因素，從而建立關(guān)于深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值模擬來驗(yàn)證模型的正確性和可行性.2%響深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速V的因素2.1話結(jié)核的沉降速度水力提升系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提升管道中的物料為固液兩相流(候結(jié)核和海水的混合物)，只有當(dāng)固液兩相流的流速大于候結(jié)核在靜水中的沉降速度時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)話結(jié)核在垂直管道中的輸送。鏈結(jié)核的沉降速度可根據(jù)楂結(jié)核的粒度及其在管中的流動(dòng)狀態(tài)確定.大址試驗(yàn)表明Di】，水力提升系統(tǒng)提升鏈結(jié)核時(shí)，固液兩相流處于素流狀態(tài)，雷諾數(shù)R般都

4、大于1000。因此，常用牛頓一雷廷格公式來計(jì)算鉉結(jié)核的沉降速度：U=5.11C,Jd,(1)式中:U,鉉結(jié)核在靜水中的沉降速度,m/s；P»鉉結(jié)核的密度,kg/nj山-儲(chǔ)結(jié)核的粒徑,m,C,形狀影響系數(shù)，一般取0.8-0.9;海水的密度，kg/ml由式(1)可知，猛結(jié)核的沉降速度主要取決于其粒徑山，采用不同粒徑計(jì)算出的沉降速度也不同目前多采用提升管路允許通過的最大粒徑dgx計(jì)算沉降速度.試驗(yàn)表明AD,只要提升管路中流體速度大于按d«5計(jì)算的最大沉降速度Ug,的10%,就可以實(shí)現(xiàn)候結(jié)核的水力提升.同樣也可按候結(jié)核的統(tǒng)計(jì)平均粒徑d仲計(jì)算鉉結(jié)核的統(tǒng)計(jì)沉降速度U哼,然后在此基礎(chǔ)上增

5、加40%50%。為了更貼近實(shí)際，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其處理得：U'1、+L5U®(2)2顯然，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作.經(jīng)濟(jì)流速必須大于或等于候結(jié)核顆粒的沉降速度U',即'Vt>U(3)可見，話結(jié)核的粒徑分布情況及其大小直接影響水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速.2.2經(jīng)濟(jì)因素的影響2.2.1運(yùn)營(yíng)費(fèi)運(yùn)營(yíng)費(fèi)G是動(dòng)力設(shè)備運(yùn)營(yíng)過程中消耗和維護(hù)費(fèi)用的總稱，它不僅與功率成正比(功率等于揚(yáng)程與流量之積)，而且與運(yùn)營(yíng)時(shí)間成正比,故可表示為：Cy=kyHQt(4)式中:虹比例常數(shù)，t設(shè)備累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間，H泵組的揚(yáng)程：Q流量。2.2.2初投資初投資費(fèi)用主要包括采礦船、集礦機(jī)、電纜、動(dòng)力設(shè)備

6、(通常為泵和電機(jī))購(gòu)置費(fèi)用和管道鋪設(shè)費(fèi)用(主要是管材費(fèi)用)等.采礦船、集礦機(jī)、電纜等費(fèi)用與深海采礦水力提升系統(tǒng)微小設(shè)計(jì)變動(dòng)無明顯關(guān)系，可認(rèn)為是一常數(shù)G。動(dòng)力設(shè)備購(gòu)置費(fèi)Cd是設(shè)備功率的函數(shù)，即：CjnHQ+G(5)式中:匕比例常數(shù)IG待定常數(shù)，隨泵型的不同而不同.管道的鋪設(shè)費(fèi)以管材費(fèi)用為主.以施工費(fèi)用為輔。因此，管材費(fèi)用是管道幾何尺寸的函數(shù)，它與管道的長(zhǎng)度以及管徑的平方均成正比。施工資用G-般占管道初裝資的1%3%,為一常數(shù)。由此可得管道的鋪設(shè)費(fèi)用G的數(shù)學(xué)模型為：G=kp出Ip+G(6)2006年第9期林愉，唐軍:深海采礦水力提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)流速的研究(15)(16)d27.ISngCkyt+kj)

7、土(17)式中:G>比例常數(shù)；黑-鋪設(shè)管道的管徑；1P一-鋪設(shè)管道的長(zhǎng)度；G待定常數(shù)，不同管材對(duì)應(yīng)不同數(shù)值。2.2.3總費(fèi)用總費(fèi)用是衡址深海采礦水力提升系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)綜合參數(shù),它等于初投資與運(yùn)營(yíng)費(fèi)之和，即：SG+G+G+Cp(7)將式(4),(5),(6)代人式(7)得：燈dpp+G+G+G<8)令G+G+C3=G,則式(8)化簡(jiǎn)為：Ct=kdHQ-+-kyHQH-kpdill>4-Co(9)式(9)是深海采礦水力提升系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析最基本的數(shù)學(xué)模型。深海采礦水力提升系統(tǒng)的摩阻損失為：h(=kQ2=64lpQ2/(K2dic2)(10)式中:k綜合摩阻系數(shù)；管道鋪設(shè)長(zhǎng)度；Q一

8、一流:ft,c謝才系數(shù),由滿寧公式確定，c=(+)Ri/6=(+>(身(11)式中:n管道粗糙系數(shù)$R水力半徑。將式(11)代人式(10)得：h(=644n2lpQ2/(n2dp1$/3)(12)設(shè)Ho為深海采礦水力提升系統(tǒng)的終端的出口壓力，則泵組提供的揚(yáng)程為：H=Ho+、=Ho+64西fQVSdp")(13)將式(13)代人式(9)得：C,=kdQCHo+64亦n21pQ2/(/d/s)+iQtH0+64籽nQVSdpS+kp再p+G(14)為了節(jié)省投資和能源，應(yīng)使總費(fèi)用最小。當(dāng)總費(fèi)用值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)為深海采礦水力提升系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的鋪設(shè)管徑就是最優(yōu)經(jīng)濟(jì)管徑。3經(jīng)

9、濟(jì)流速的求解Q=Av=0.25xdv式中;A管道的過流截面;v過流截面上的平均速度。由式(】5)可知，欲求經(jīng)濟(jì)流速必先求其經(jīng)濟(jì)管徑，欲求經(jīng)濟(jì)管徑必先使總費(fèi)用值最小。因此由(14)式對(duì)山求導(dǎo)，使之為零即可求得經(jīng)濟(jì)管徑的數(shù)學(xué)模型。沁64為k,子Q3Ipt(爭(zhēng)妃-爭(zhēng)冠=十64刀5Q3Ip*)dpT>卜2kpdplp=0解之得:由式(17)可以方便地求出深海采礦水力提升系統(tǒng)的最佳經(jīng)濟(jì)管徑，將式(17)代入式(15).將過流截面上平均流速v用經(jīng)濟(jì)流速Ve表示可得理論經(jīng)濟(jì)流速的數(shù)學(xué)模型為：(18)綜上所述在確定經(jīng)濟(jì)流速之前.既要考慮深海采礦水力提升系統(tǒng)顆粒的沉降速度，又要考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)因索。只有將兩

10、者同時(shí)考慮.才能合理地確定深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速.即：U，_1.lUg+1.5U，e<V.NU(19)V4Q27.45r>g(ky+%_a由式(19)可知，當(dāng)U'WVe時(shí),取提升系統(tǒng)的顆粒沉降速度U't作為深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速；當(dāng)U'tUV.時(shí)，取式(18)結(jié)果為深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速。4經(jīng)濟(jì)流速的數(shù)值模擬已知深海采礦水力提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為200m3/h,提升高度為6000m,鉉結(jié)核最大粒徑為20mm,統(tǒng)計(jì)平均粒徑為15mm,鉉結(jié)核密度為2XIO,kg/m3，海水密度為1.05XIO,kg/m3，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15年。試確定該系統(tǒng)

11、的經(jīng)濟(jì)流速。用某高揚(yáng)程特種泵.其流址為200m3/h.功率為120kW,揚(yáng)程為250m,利用同類泵回歸線查出虹=8000元s/m4；鋪設(shè)鋼管長(zhǎng)6000m,其粗糙度系數(shù)為0.0012,計(jì)劃投資10億元。將上述數(shù)值代人有關(guān)公式.則可以估算出各個(gè)比例常數(shù)：kt.=<Cp-C3)/<dilp)=2.5X10Sky=Cy/HQt=2.8X10-5o將1.知分別代人式(17).(18)得：dpRO.3m,V«=0.786m/s0由式(1)得:LJmvu=0.584m/s,Ue=0.506m/s。由式(2)得:U=0.701m/s。由式(19)得:Ve=0.786m/so根據(jù)沉降速度與

12、經(jīng)濟(jì)流速之間的關(guān)系，確定該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速為:Ve=0.786m/s。5結(jié)論(1) 通過對(duì)候結(jié)核的沉降速度的討論,得出沉降速度直接與深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速相關(guān)，當(dāng)話結(jié)核顆粒的沉降速度大于試算出的經(jīng)濟(jì)流速時(shí)，應(yīng)將提升系統(tǒng)的顆粒沉降速度作為深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速；反之則取其本身作為深海采礦水力提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)流速。(2) 從經(jīng)濟(jì)因素的角度考慮，建立投資、管理、運(yùn)營(yíng)等總費(fèi)用數(shù)學(xué)模型，當(dāng)總費(fèi)用取得最小值時(shí),深海采礦水力提升系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的各參數(shù)最優(yōu)。(3) 通過數(shù)值模擬分別算出顆粒沉降速度、鋪設(shè)管道的經(jīng)濟(jì)管徑和理論經(jīng)濟(jì)流速，通過比較確定經(jīng)濟(jì)流速。參考文獻(xiàn)：1 謝龍水.深海多金履結(jié)核采集方法的經(jīng)濟(jì)

13、評(píng)價(jià)J.湖南有色金屬,1995,11(3):7-9.2 謝龍水.深海采礦經(jīng)濟(jì)模式研究口.金國(guó)礦巾，1995,6；1819.總第125期西部探礦工程seriesNo.1252006年第9期WESTCHINAEXPLORATIONENGINEERINGSept.2006文章編號(hào)：10045716(2006)09007403中圖分類號(hào)：P62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)瑪:B運(yùn)用邏輯信息法估算某礦田的鈾礦資源總量陳德華(廣東省核工業(yè)地質(zhì)局檔案館，廣東廣州510800)摘要：運(yùn)用遂輯信息法對(duì)某，田的鈾資源總量和品位進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，以確定該區(qū)的鈾資源潛力，為該區(qū)進(jìn)一步找，的科學(xué)決策提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：巡輯信息法；鈾資源總量某

14、礦田是一個(gè)重要的鈾資源基地，在新一輪的鈾礦找礦工作中，該礦田能否取得重大成果，直接關(guān)系到我們此次工作的成敗。因此，在鈾礦地質(zhì)工作第二個(gè)春天到來之際，相對(duì)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)該地區(qū)鈾資源潛力，對(duì)樹立隊(duì)伍的找礦信心和為領(lǐng)導(dǎo)提供科學(xué)決策的依據(jù)都是十分重要的。下面所作的對(duì)礦田鈾資源的邏輯信息法預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，就是為了這一目的所做的一次努力.現(xiàn)將有關(guān)情況陳述如下：1 礦田地質(zhì)概況某礦田位于國(guó)棟花崗巖體的東部,面積數(shù)百平方千米.國(guó)棟巖體是燕山期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物，由多期多階段花崗巖漿侵入而成.呈巖基狀.各期次花崗巖中都含有晶質(zhì)鈾礦。主體W中粗粒斑狀黑云母花崗巖，平均含鈾鼠163.5ppm補(bǔ)體冷3、舄a、*3b細(xì)?；◢弾r，平均

15、含鈾地28.533.5ppm.巖體自變質(zhì)作用較為強(qiáng)烈，活性鈾含最高。巖體內(nèi)，中基性巖脈發(fā)育，走向EW，等間距分布，共有5組.礦田處于兩條NEE向區(qū)域性大斷裂之間，以某斷裂為代表的NNE-NE向斷裂和EW向擠壓帶發(fā)育.起著導(dǎo)礦和布礦作用。鈾礦化多產(chǎn)于硅化斷裂帶與輝綠巖脈的交接部位.礦田東北部工作程度較高。目前，已查明礦床多個(gè)，擁有數(shù)最可觀的工業(yè)和遠(yuǎn)景儲(chǔ)AL在此次新一輪找礦中，大家一致認(rèn)為礦田的區(qū)域地質(zhì)背景對(duì)成礦極為有利，雖已查明了一批礦床，但仍有較大的成礦遠(yuǎn)景,已列為“大基地"之一.2 方法的選擇我們選擇邏輯信息法作為本區(qū)鈾礦資源總量預(yù)測(cè)的基本方法.理由是：<1)礦田內(nèi)產(chǎn)出的礦床

16、、礦點(diǎn)，不僅成因相同，而且產(chǎn)出的地質(zhì)條件也基本相同，說明這些礦床、礦點(diǎn)有著統(tǒng)一的地質(zhì)成因模式,能滿足邏輯信息法的要求。同時(shí),從查明儲(chǔ)量看.產(chǎn)于巖體內(nèi)接觸帶以花崗巖為含礦主巖者，占95%以上。這樣用它建立起C3李煒.大洋采礦氣力提升特性的試驗(yàn)研究J.有色礦山，1997,3：1112.4鄒偉生.話結(jié)核開采的氣力提升參數(shù)研究J.礦冶Tfg.1999.19(1),24-25.5余斌,張紹才，李政，等.疝濃度尾砂充填料漿管道輸送性能試驗(yàn)J1河北冶金,2003,135(3)：79.來的資源定量評(píng)價(jià)模型和所得到的資源總量預(yù)測(cè)結(jié)果，才不會(huì)因其他類型礦化的存在而出現(xiàn)太大的出入；(2) 礦田內(nèi)積累的定性地質(zhì)資料多

17、，定鍛、半定最數(shù)據(jù)少;加之，控制區(qū)內(nèi)能作為標(biāo)準(zhǔn)樣品的單元數(shù)太少，不能滿足大數(shù)定律的要求，較難采用多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法或以多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的其他方法。而邏輯信息法在把定量、半定量數(shù)據(jù)經(jīng)離散化處理之后，兼有處理定性資料和定量、半定量數(shù)據(jù)的功能：(3) 邏輯信息法在理論上和方法上比較完善，目前正廣泛地為國(guó)內(nèi)外數(shù)學(xué)地質(zhì)工作者在作資源預(yù)測(cè)和其他研究時(shí)應(yīng)用，并不乏成功的實(shí)例。在本區(qū)用它作資源預(yù)測(cè)，從方法上講，可以保證預(yù)測(cè)的質(zhì)最；(4) 邏輯信息法建立變異序列的思想源自地質(zhì)對(duì)比法。加之其數(shù)學(xué)原理簡(jiǎn)單，實(shí)施中只需詳細(xì)研究幾個(gè)(68個(gè))標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象即可解決預(yù)測(cè)問題。這樣，不僅預(yù)測(cè)條件容易潢足，而且較易為廣大野外地質(zhì)工作者所理解和接受。雖然計(jì)算過程繁雜，但可借助電腦解決；(5) 用邏輯信息法采用同一標(biāo)志總體,可以同時(shí)建立“儲(chǔ)最”和“品位”兩個(gè)變異序列，從而得出兩個(gè)相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型。這是其他方法所難以作到的.3 控制區(qū)和預(yù)測(cè)區(qū)的選擇控制區(qū)選在測(cè)區(qū)的東北部.選擇的依據(jù)：(1) 這里是礦田的核心.查明的工業(yè)儲(chǔ)最占礦田總儲(chǔ)量的95%以上,控制礦