XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автономный комплекс по обработке и выводу алмазов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галеев И.Д. 1Черепанов Д.Е. 1Чупров Б.П. 1Липихин Л.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

833.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Шахтёрская профессия не случайно считается одной из наиболее опасных – из-за специфики добычи полезных ископаемых шахтовым методом риск гибели горняков весьма высок. По данным статистики, российские шахты считаются одними из самых опасных в мире, за последние 25 лет только в России произошло 28 аварийных ситуаций при которых погибло около 700 человек.

Цель: создание автономного комплекса по обработке и выводу горных пород.

Задачи:

Изучение способов добычи полезных ископаемых

Исследовать, из чего состоит в транспортная система шахты

Изучить литературу по обогащению алмазосодержащей руды

Разработать новую улучшенную систему транспортировки

Придумать способ сортировки алмазов

Создать модель комплекса по обработке и выводу алмазов на базе конструктора Lego Mindstorms

Создать программу демонстрирующую работу установки

При написании работы в рамках исследования мы использовали следующие источники: учебник по географии за 5 класс[3], а также лекции А.Б. Ефременкова «Горные машины и оборудование»[7]. При создании механизма руководствовались книгой идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной 2 робототехнике. [2]

Глава 1. Добыча полезных ископаемых

Полезные ископаемые — минералы и горные породы, которые могут быть использованы человеком в хозяйственной деятельности.

Месторождение — скопление полезных ископаемых на поверхности или в недрах Земли, по количеству и качеству пригодное для их добычи и использования.

Способы добычи полезных ископаемых

Существует несколько способов добычи полезных ископаемых.

Твёрдые полезные ископаемые добывают открытым способом (карьер) или закрытым способом (шахта). Жидкие полезные ископаемые и природный газ добываются с помощью специально пробурённых скважин. (Рисунок 1.1.1, Приложения)

Открытый способ добычи — добыча полезных ископаемых непосредственно с земной поверхности.

С помощью экскаваторов снимается верхний слой пустых горных пород. Затем ведётся добыча полезного ископаемого в образовавшемся карьере. Открытый способ дешевле подземного, но ведёт к нарушению природной среды. В карьерах обычно добывают уголь, железные руды, строительные полезные ископаемые (глина, песок и др.).

Закрытый способ добычи — подземная добыча полезных ископаемых.

Шахты строятся в тех случаях, когда полезное ископаемое залегает глубоко в недрах Земли (до 1–2 км и более). На поверхность полезное ископаемое поднимают при помощи специальной техники. Подземная добыча более дорогостоящая, но наносит не столь серьёзный ущерб природе. [3]

Транспортная система в шахте

Важным залогом обеспечения устойчивого функционирования и развития горнодобывающего предприятия служит стабильная и эффективная система транспортировки сырья. [4]

Внутришахтный транспорт (ВШТ)   — транспортная служба шахты, предназначенная для перемещения по подземным горным выработкам и на поверхности (в пределах территории шахты) полезного ископаемого и различного рода грузов (крепежных, взрывчатых, закладочных материалов, оборудования, породы и т. д.), а также для перевозки людей.[5]

Шахтный транспорт представляет один из сложнейших производственных процессов в подземной добыче полезных ископаемых, трудоемкость которого составляет около 25 % и даже более общей трудоемкости работ на шахтах и рудниках в связи с большой протяженностью горных выработок, достигающей нескольких десятков километров, по которым транспортируются грузы. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

Различают два вида транспорта: внутренний – для перевозки грузов и людей в пределах горного предприятия и внешний – для перевозки полезного ископаемого с горного предприятия к сети поверхностных дорог иди непосредственно потребителю, а также для доставки на горное предприятие машин, оборудования и материалов.

Внутренний транспорт в зависимости от вида груза разделяют на основной – для перевозки полезного ископаемого (горной массы) от забоя до средств внешнего транспорта и вспомогательный – для доставки машин, оборудования, материалов, а также людей к месту работы и обратно.

По способу действия все транспортные установки делят на две группы: непрерывного и периодического (цикличного) действия. Транспортные установки непрерывного действия могут создавать непрерывный поток переменного груза. К таким установкам относят все типы конвейеров, устройства гравитационного (самотечного), гидравлического и пневматического транспорта. Транспортные устройства периодического действия перемещают груз отдельными порциями, размещаемыми в транспортных сосудах (вагонетках, скипах, платформах, поддонах, контейнерах и др.). К таким транспортным средствам относят локомотивный, автомобильный транспорт и другие. [7]

Основные средства транспорта: конвейеры (скребковые, ленточные, пластинчатые, винтовые, вибрационные и др.), пневматические и гидравлические установки; подвесные воздушно-канатные дороги; скреперные установки; локомотивный транспорт; автомобильный транспорт; установки для откатки канатом по рельсовым путям; транспорт самоходными вагонетками. К вспомогательным средствам транспорта относятся перегружатели, питатели, бункерные затворы, опрокидыватели, компенсаторы высоты, толкатели, путевые устройства и др.

Глава 2. Обогащение алмазосодержащий руды

Обогащение руд — это важнейшая составная часть системы управления качеством руды, которая позволяет провести обогащение бедных, забалансовых и рядовых руд.

Благодаря технологиям, применяемым при обогащении, происходит разделение руды на бедную и богатую на стадии карьера, вследствие чего на фабрику поставляется уже обогащенная руда.

2.1. Извлечение алмазов из руды

Драгоценные камушки выделяют разными способами.

Суспензия. Породу погружают в высокоплотную жидкость. Камни тонут, алмазы всплывают.

Жир. Поверхность, на которую заливают породу с водой, смазывают жиром. Алмазы прилипают, руда уносится водой.

Рентген. Совершённый, но небезопасный вариант. Кристаллы, заключённые в породе, под лучами отсвечивают.

Магнит. Отделяет не способные намагничиваться алмазы от руды.

Электросепарация. Руду пропускают сквозь поток электричества. В соответствии с коэффициентом электропроводности, она распределяется по фракциям – каждый минерал попадает на «свою» дорожку.

Способ определяется составом породы, уровнем оснащённости и масштабности предприятия. [6]

Алмазы извлекают из руды в пять этапов:
Этап № 1: ДРОБЛЕНИЕ
Алмазосодержащую руду и песок помещают в дробилку. Это устройство разбивает их на части, не превышающие 150 мм.
Этап № 2: ОЧИСТКА
Куски руды скребут для удаления постороннего материала, а затем изучают. Фрагменты мельче 1,5 мм отсеивают.
Этап № 3: ЦИКЛОННАЯ СЕПАРАЦИЯ
Алмазосодержащую руду смешивают с раствором, содержащим феррокремниевый порошок и воду. Эту смесь загружают в циклонный сепаратор, обрабатывают, а потом сепарируют. Вещества с самой высокой плотностью остаются на дне. Образуется слой, где концентрируются алмазы.
Этап № 4: ИЗВЛЕЧЕНИЕ
В циклонном сепараторе алмазы отделяются от иного материала с высокой плотностью. Алмаз распространяет вспышки света, которые улавливаются сенсорами. По их сигналу микропроцессор направляет в сторону алмаза струю воздуха. Камень попадает в приемное устройство.
Этап № 5: МЫТЬЕ, ВЗВЕШИВАНИЕ И УПАКОВКА
Алмазы, накопившиеся в приемном устройстве, очищают раствором кислоты, моют, взвешивают и упаковывают перед транспортировкой. Печать защищена от несанкционированного вмешательства. Перед отправкой каждому контейнеру присваивается номер.

2.2. Оборудование для сепарации алмазов

Флотацио́нная маши́на — агрегат для проведения флотации. Представляет собой устройство в виде ёмкости (ванны или камер), предназначенное для разделения взвешенных в жидкости относительно мелких твёрдых частиц (или их выделения из жидкости) по их способности прилипать к вводимым в суспензию газовым пузырькам, каплям масла и т. д. с целью извлечения полезного компонента. (Рисунок 2.2.1, Приложения)

Гравитацио́нное обогаще́ние поле́зных ископа́емых — процесс и технология обогащения полезных ископаемых, основанный на использовании действия силы тяжести, при которой минералы отделяются от пустой породы за счёт разницы их плотности и размера частиц. (Рисунок 2.2.2, Приложения)

Магнитные сепараторы – устройства, предназначенные для разделения многокомпонентных материалов на составные части по их магнитным свойствам. (Рисунок 2.2.3, Приложения)

Глава 3. Практическая часть

3.1. Создание комплекса на базе конструктора LegoMindstorms

Мы решили разработать нашу идею на базе конструктора Lego Mindstorms. В модели используется один средний мотор, один большой мотор, датчик цвета и датчик касания.

Комплекс состоит из двух частей, отвечающих за:

транспортировку руды

Обогащение алмазов (Рисунок 3.1.1, Приложения)

Транспортировка руды происходит непрерывным способом. В начале руда доставляется по конвейеру. Роль конвейера играют гусеницы, установленные под наклоном, запускаются с помощью большого мотора. (Рисунок 3.1.2, Приложения)

Далее руда попадает на гравитационное устройство, после чего направляется вниз, оказывая своим весом давление на датчик касания, так принимается сигнал, что руда попала в оборудование для сепарации.

Далее происходит процесс обогащения полезных ископаемых, основанный на разделении многокомпонентных материалов на составные части, например по их магнитным свойствам. Для этого мы используем средний мотор, который приводит в движение рычаги, перемещающий драгоценности в нужный отсек. (Рисунок 3.1.3, Приложения)

Распределяются драгоценности с помощью датчика цвета, установленного в начале алмазного комплекса. (Рисунок 3.1.4, Приложения)

3.2. Демонстрация процесса работы комплекса с помощью ПО LegoMindstorms

Мы запрограммировали алмазный комплекс в ПО LegoMindstorms. Программа зациклена, что демонстрирует непрерывный процесс вывода и обогащения алмазной руды.

Запускается процесс с помощью нажатия на центральную кнопку программируемого блока EV3. Далее воспроизводится сигнал приветствия и программа ожидает, когда датчик распознает зелёный или желтый цвет. После этого, датчик цвета передает в переменную «almaz» значение руды: зеленый – «3», желтый - «4». Переключатель, в зависимости от увиденного цвета воспроизводит звуковой сигнал «Green» или «Yellow».

Запускается конвейер, с помощью большого мотора. Ожидание 2 секунды и конвейер возвращается на исходное положение. Как только сработал датчик касания, переменная по шине данные передает свое значение в блок «переключатель», в зависимости от значения переменной выполняется одно из действий, то есть распределяются алмазы в левый или правый отсек. (Рисунок 3.2.1., Приложения)

Заключение

Нашей команде стало интересно, возможна ли добыча алмазов без участия человека, или какое оборудование может минимизировать работу человека в шахтах. Ведь профессия шахтёра считается одной из самых опасных и экстремальных.

Для этого мы изучили, какое оборудование используется при добыче полезных ископаемых. В особенности уделили внимание транспортной системе в шахте. Мы выделили для себя конвейер и гравитационную установку. Также в подробностях изучили, как обогащается алмазная руда: методы, этапы и оборудование для сепарации.

Основываясь на полученных знаниях, создали комплекс, который демонстрирует автономную работу по выводу и обогащению алмазной руды.

Наш проект можно использовать на уроках по робототехнике. В модели используются моторы и датчики, а также сложные механизмы. Комплекс запрограммирован в ПО LegoMindstorms, с использованием множества условий и переменных.

Также нашу работу можно использовать на уроках географии при изучении темы добычи полезных ископаемых.

Список используемых источников

Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3. 181 удивительный механизм и устройство / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручева]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 232 с.

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с

https://www.yaklass.ru/p/geografiya/5-klass/

https://mining-media.ru/ru/article/anonsy/2501-sovremennye-sistemy-transportirovki-poleznykh-iskopaemykh-i-vskryshnykh-porod

http://miningwiki.ru/

https://vkamen.ru/interesno/dobycha-almazov

https://portal.tpu.ru/departments/otdel/publish/catalog/2012/urga/metod_2012/grif/YuTI_EfremenkovKazancevBlaschuk.pdf

Приложения