Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2015, № 12 (спецвып.68)

ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННОАНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ
СПЕЦИАЛЬНЫЙ
ВЫПУСК 68

№ 12

РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЕРТИКАЛЬНОГО
ГИДРОТРАНСПОРТА
ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ
КОНКРЕЦИЙ

В.И. Александров
И.В. Егоров
И.И. Ганиев
А.Л. Васильев

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А 46 

622.23.037.008 
А 46 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.14 
 
 
 
Александров В.И., Егоров И.В., Ганиев И.И., Васильев А.Л. 

Результаты экспериментальных исследований вертикального 

гидротранспорта железомарганцевых конкреций: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).
– 2015. – № 12 (специальный выпуск 68). – 12 с. — М.: Издательство «Горная книга» 
ISSN 0236-1493 

Приведены результаты исследования процессов, проходящих при 
вертикальном гидравлическом транспортировании твердых полезных ископаемых. Среднее относительное отклонение экспериментальных данных от теоретических составило 2,6 %, что говорит о высоком качестве 
проведенных экспериментов и отражает высокую степень изученности 
данного вопроса. При проведении регрессионного анализа абсолютных
отклонений относительно основных параметров гидравлического транспортирования выявлена определенная закономерность их изменения, характеризующаяся уменьшением влияния гидростатической составляющей в трубопроводе под действием увеличивающихся турбулентных
пульсаций, которые ранее не учитывались. Введен коэффициент корреляции, который выражается линейной зависимостью относительно скорости гидросмеси в трубопроводе.  
 
 
УДК 622.23.037.008

©  В.И. Александров, И.В. Егоров,  
 И.И. Ганиев, А.Л. Васильев, 2015 
©  Издательство «Горная книга», 2015 

ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2015 

 
 

В результате нарастающего интереса к твердым полезным 
ископаемым (ТПИ), расположенным на дне морей и океанов, 
остро встает вопрос о создание современных и энергетически 
эффективных комплексов для их добычи. Среди всего многообразия известных ТПИ, залегающих на морском дне, самыми явными представителями считаются железомарганцевые конкреции 
(ЖМК) [2, 6]. 
Одним из главных показателей энергоэффективности работы 
подводно-добычного комплекса являются затраты энергии на 
транспортирование ЖМК со дна на добычное судно. В настоящее 
время известно три основных способа транспортирования, основанных на применение гидравлической, механической или воздушной энергии [5, 8]. 
Гидравлический способ транспортирования имеет ряд преимуществ, одно из которых — подъем ЖМК на добычное судно и 
спуск отработанной воды с хвостами обогащения в придонное 
пространство, не взаимодействуя с окружающей средой, что значительно повышает экологическую безопасность в районе подводной добычи [13]. 
Энергетические затраты на процесс гидроподъема напрямую 
зависят от удельных потерь напора в трубопроводе, которые 
можно представить следующим выражением [11]: 


0 1
i
i
i

 
, 

где i0 – удельные потери напора на течение чистой воды; Σi — 
дополнительные удельные потери напора на движение твердых 
частиц в потоке воды и на взвешивание столба гидросмеси. 
К настоящему времени не определена степень достоверности 
применения существующих методик по расчету вертикального 
гидротранспорта для гидроподъема ЖМК, так как они получены 
в ходе анализа процесса гидроподъема материалов, отличающихся по форме, структуре, плотности и гранулометрическому составу частиц. В этой связи необходимо провести лабораторные испытания, моделирующие процесс гидроподъема ЖМК с морского 
дна, которые позволят оценить достоверность применения данной методики, а так же выявить влияние параметров транспортирования на удельные потери напора [14]. 
Для получения наибольшей сходимости полученных результатов при малом количестве проведенных экспериментов, лабо

раторные испытания проводились на основе теории планирования экспериментов [1]. 
Скорость движения гидросмеси и концентрация твердого в 
транспортирующем трубопроводе являются одними из ключевых 
параметров, изменение которых в процессе добычи ЖМК приведет к значительным изменениям удельных потерь напора. Из 
проведенных ранее исследований, по расчету гидравлических потерь при транспортировании ЖМК с морского дна на добычное 
судно [12] известно, что с точки зрения энергетической эффективности и производительности скорость движения гидросмеси в 
вертикальных трубах не должна превышать 3–4 м/с, а концентрация твердого варьируется в пределах от 0,1 до 0,4. 
Основываясь на выше сказанном, в Горном университете 
разработан специальный стенд для вертикального транспортирования ЖМК, схема которого изображена на рисунке 1. 
Основные геометрические параметры стенда и применяемое 
оборудование: консольный насос К 20/30; манометры точных измерений с ценой деления 0,01 кгс/см2; металлический транспортирующий трубопровод (длина участка, на котором проводились 
измерения l = 12 м, внутренний диаметр трубопровода D = 0,0282 м, 
шероховатость Δ = 0,00013 м); объем бункера для твердого Vбун = 
= 0,024 м3; объем бака для гидросмеси Vб.см = 0,25 м3. Стенд монтировался на территории Горного университета (рис. 2). 

 
 
 

Рис. 1. Схема стенда: 1 – трубопровод водопроводной сети; 2, 5, 
7, 8, 9, 20 – задвижки; 3 – электродвигатель; 4 – центробежный 
насос; 6 – обратный клапан; 10 – 
подпитывающий трубопровод; 11 
– бункер для твердого материала; 
12 – крышка; 13 – транспортирующий трубопровод; 14, 16 – 
манометры; 15 – спускной трубопровод; 17 – бак для гидросмеси; 
18 – трубка уровня воды в баке; 
19 – фильтрующий элемент; 21 – 
бак; 22 – бак для чистой воды 

Рис. 2. Фотография стенда 
 
В качестве транспортируемого 
материала использовались шельфовые железомарганцевые конкреции 
(ШЖМК), добытые в ходе поднятия 
крупной технологической пробы компанией ООО «Петротранс» в 20042007 г. в акватории Финского залива [7]. 
ШЖМК имеют схожую форму, 
структуру и строение с океаническими ЖМК и незначительно отличаются по плотности и составу от 
них [3]. Плотность ШЖМК используемых в экспериментальных исследованиях составила 1790 кг/м3. 
С учетом того, что диаметр трубопровода должен в три раза превышать 
диаметр 
транспортируемых 
частиц [4], проведено дробление 
ШЖМК на валковой дробилке с получением фракции, средний диаметр 
частиц, которой равен 4,6 мм [9]. 
Проведенные эксперименты можно разделить на три блока: 
— первый включал в себя гидроподъем чистой воды с постепенным 
увеличением расхода для определения 
максимальной скорости движении воды, определения функциональности 
работы стенда и достоверности параметров, используемых в расчетах; 
— второй заключался в гидроподъеме ШЖМК при одном 
положении задвижки 5 и с различными вариациями положений 
задвижек 8 и 9 для получения большей частоты изменения начальной концентрации при неизменном расходе воды; 
— третий блок включал в себя гидроподъем ШЖМК во всем 
диапазоне скоростей c изменением концентрации с помощью задвижки 9. 

Для анализа и сравнения, полученных теоретических и экспериментальных данных рассчитывалось их абсолютное и относительное отклонение. 

100%
100%
экс
теор

экс
экс

i
i
i
i
i



 



 

где ε – относительное отклонение экспериментальных данных от 
теоретических; Δi – абсолютное отклонение; iэкс – удельные потери напора, полученные экспериментальным путем; iтеор – удельные потери напора, полученные теоретическим путем. 
На основании результатов первого блока экспериментов 
проведен расчет вертикального гидравлического транспортирования чистой воды, в результате чего среднее относительное отклонение удельных потерь напора, полученных теоретическим и 
экспериментальным путем, составило 0,3 %, что говорит о высокой точности применяемого оборудования и достоверности параметров, используемых в расчетах. 
Расчет гидроподъема ШЖМК проводился на основе методики, полученной ранее [10], а так же ёё уточнения [11]. 




2
см
0
д
2
см
1
1 145
2
v
gD
w
i
i
i
с
gD
v
gD








 
 














, 

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления; vсм — 
средняя скорость движения смеси; g — ускорение силы тяжести; 
D – внутренний диаметр трубопровода; cд – средняя действительная концентрация твердых частиц в восходящем потоке гидросмеси; w — скорость свободного падения твердых частиц в воде. 

0

0

см
д
с v
с
v
w



, 

где со – средняя исходная концентрация ШЖМК; vо – средняя скорость чистой воды; w – средняя скорость стесненного падения 
твердых частиц в спокойной воде (гидравлическая крупность). 
Полное описание методики расчета представлено в источниках [10, 11]. 
После обработки результатов второго и третьего блока среднее относительное отклонение экспериментальных данных от 

теоретических составила 2,6 %. Данное отклонение показывает, 
что методика расчета вертикального гидротранспорта не совсем 
точно учитывает процессы, проходящие при гидроподъеме 
ШЖМК. 
Обработка данных второго блока показала, что начальная 
концентрация по экспериментам изменялась в диапазоне от 0,11 
до 0,3, а скорость гидросмеси от 0,56 до 0,78 м/с. Данное изменение скорости является незначительным, и можно считать условие 
достижения постоянной скорости гидросмеси выполненным. 
Результаты второго блока экспериментов и степень их отклонения от теоретических результатов можно выразить в виде 
графической зависимости (рис. 3). 
На рис. 3 изображено распределение Δi от изменяющейся 
со, не имеющее определенной выраженной зависимости. В этой 
связи можно сделать вывод, что применяемая методика расчета 
вертикального гидротранспорта хорошо описывает процессы, 
проходящие в трубопроводе при различной начальной концентрации ШЖМК с учетом относительно-постоянной скорости 
гидросмеси. 
Обработка данных третьего блока экспериментов показала, 
что скорость гидросмеси изменялась в диапазоне от 0,4 до 2,3 
м/с. Зависимость абсолютных отклонений от изменяющейся скорости гидросмеси отображена на риc. 4. 
Анализируя распределение Δi от изменяющейся скорости 
гидросмеси, можно выявить определенную закономерность, описываемую линией тренда, стремящейся к уменьшению при увеличении скорости гидросмеси. 
 
 

 
Рис. 3. Зависимость абсолютных отклонений от начальной концентрации 
по второму блоку экспериментов 

Рис. 4. Зависимость абсолютных отклонений от скорости гидросмеси по 
третьему блоку экспериментов 
 
Как сказано ранее, удельные потери напора на движение 
гидросмеси делятся на удельные потери напора на движение чистой воды и дополнительные удельные потери на движение твердых частиц в потоке воды и на взвешивание столба гидросмеси. 
Удельные потери напора на движение чистой воды в трубопроводе находятся по уравнению Дарси-Вейсбаха и точность их определения не вызывает сомнений. 
Потери на движение твердых частиц в потоке воды и на 
взвешивание столба гидросмеси определяются на основе сложной зависимости, в которой изменяющимися параметрами являются скорость гидросмеси и действительная концентрация твердого в трубопроводе. Скорость гидросмеси находится из расхода, 
а действительная концентрации, в свою очередь, находится как 
разность скорости чистой воды и скорости стесненного падения 
твердых частиц в спокойной воде. 
Движение частицы в вертикальном трубопроводе при больших скоростях подвержено влиянию турбулентных пульсаций, 
которые могут влиять на действительную концентрацию в трубопроводе. Данные пульсации не учитывались при разработке данной методики расчета [10]. 
Ввиду выше сказанного, можно сделать вывод, что линейная 
зависимость Δi от скорости обусловлена несоответствием теоретических значений сд и значений сд при проведении экспериментов. Следовательно, выражение для определения действительной 
концентрации имеет другой вид, обусловленный воздействием 
турбулентных пульсаций. 
Для уточнения выражения по нахождению действительной 
концентрации в математическую модель вводится коэффициент 
корреляции «К», который прямо влияет на действительную концентрацию и заменяет численный коэффициент равный 145. 

Рис. 5. Изменение коэффициента корреляции К от скорости гидросмеси по 
каждому из экспериментов 




2
см
0
д
2
см
1
1
2
v
gD
w
i
i
i
Kс
gD
v
gD








 
 














. 

Для определения функции, описывающей зависимость К от 
скорости гидросмеси, проводится подстановка его значений в 
расчеты для достижения 100 % сходимости между теоретическими и экспериментальными результатами. Зависимость полученных значений коэффициента К от скорости гидросмеси для каждого из экспериментов изображена на риc. 5. 
По закономерности влияния скорости гидросмеси на коэффициент корреляции проведена аппроксимация с получением 
следующей зависимости: 
31,449
149,46
см
K
V
 

. 

В результате уточнения математической модели степень отклонений экспериментальных данных от теоретических составила 1,4 %. 
Проведение расчетов вертикального гидротранспорта с использованием коэффициента корреляции К возможно при скоростях гидросмеси не более 3–4 м/с, так как дальнейшее влияние 
его на сходимость теоретических и экспериментальных данных в 
данной работе не рассматривалось. 
 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Бойко Н.Г., Устименко Т.А. Теория и методы инженерного эксперимента: Курс лекций. Донецк: ДонНТУ, 2009. – 158с. 
2. Иванов В.В. Железомарганцевые конкреции рудной провинции КларионКлиппертон и гайота Бутакова, Магеллановы горы, Тихий океан: сходства и отличия // Металлогения древних и современных океанов. – 2015. – №21. С. 79–82. 

3. Иванова А.М., Смирнов А.Н., Рогов В.С., Мотов А.П., Никольская Н.С., 
Пальшин К.В. Шельфовые железомарганцевые конкреции — новый вид минерального сырья // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — 
2006. - № 6. – С.14-19. 
4. Инструкция по гидравлическому расчету систем напорного гидротранспорта грунтов. — СПб.: Энергия, 1972. — 32 с. 
5. Королев И.С. Обоснование параметров донного устройства с учетом 
присоединенной массы при добыче железомарганцевых конкреций шельфовой 
зоны: Дис. канд. тех. наук. СПб.: Нац. минерально-сырьевой ун-т «Горный», 
2013. – 143 с. 
6. Неизвестнов Я.В., Кондратенко А.В., Козлов С.А. Инженерная геология 
рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане // Тр. ВНИИОкеангеологии 
М-ва природн. Ресурсов РФ и РАН. – 2004. — Т.197. – СПб.: Наука,, 281. 
7. Рогов В.С., Фролов В.В., Никольская Н.С., Титов А.Л. Опыт добычи и 
промышленного использования железомарганцевых конкреций // Горный журнал. – 2012. — № 3. C. 50–55. 
8. Сержан С.Л., Медведков В.И. Особенности энергообеспечения грунтозаборного устройства добычного комплекса для подводной добычи // Горное 
оборудование и электромеханика. – 2014. — № 10. С. 23–29. 
9. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980. — 293 с. 
10. Юфин А.П. Гидромеханизация. М.: Стройиздат, 1974. — 223 с. 
11. Aleksandrov V., Sobota E., Voznjak P. Simulation and Calculation of System Hydraulic Lifting of Mineral coarse Solid Particles from Seabed to the Water Surface // Marine Minerals: Crossroads of Science, Engineering, and the Environment 
UMI 2005. California US. 2005. pp. 8-14. 
12. Egorov I.V. Berechnung der Eintauchungtiefe des Ausgleichsbehälters in 
Systemen der hydraulischen Förderung der Gesteinsmasse vom meeresgrund // 
Scientific Reports on Resource Issues. Technische University Bergakademie Freiberg. 
Freiberg – 2014. pp. 16-20. 
13. Park Yong-Chan, Yoon Chi-Ho, Lee Dong-Kil, Kwon Seok-Ki. Experimental Studies on Hydraulic Lifting of Solid-liquid Two-phase Flow // Korea Institute of 
Ocean Science & Technology. Korea. 2004. Vol. 26(4), pp. 647-653. 
14. Soboty J.IV. Systemy i technologie wydobycia konkreji z dna oceanow. 
Wroclaw : 2005. 140 p. 
 
 
 

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ 

Александров Виктор Иванович – доктор технических наук, профессор, 
alexvict@spmi.ru, 
Егоров Илья Викторович – аспирант, egorov_iv@bk.ru, 
Ганиев Ильсур Ильгизович – аспирант, 
Васильев Артем Леонидович – аспирант, 
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».