Эффективность гидравлического разрушения горных пород и грунтов в первую очередь определяется давлением, которое струя гидромонитора оказывает на забой, а также характеристиками самих разрабатываемых материалов. Именно с определения необходимого давления начинается процесс расчета параметров гидромониторной установки. Последовательность расчетов может быть рекомендована следующая.
Влияние воздуха и классификация струй по давлению
Воздушная среда играет ключевую роль в формировании структуры водяной струи. Чем меньше диаметр струи, тем больше относительная площадь ее поверхности и, соответственно, сильнее влияние воздуха. При высоких скоростях истечения взаимодействие между струей и воздухом становится интенсивным: воздух активно вовлекается в движение, что приводит к быстрому распаду струй высокого и сверхвысокого давления.
В практике гидромеханизации струи принято классифицировать по уровню давления:
- Струи низкого давления применяются для разработки несвязных грунтов (например, песков) и смыва уже насыпанных материалов.
- Струи среднего давления являются основным инструментом при выполнении большинства земляных и некоторых горных работ. На их поверхности сила трения о воздух преобладает над силой поверхностного натяжения, что приводит к образованию вихрей и водяной "дымки".
- Струи высокого и сверхвысокого давления (порядка 60 МПа и выше) обладают колоссальной разрушительной энергией, способной резать твердые изверженные породы и даже сталь. Они используются для добычи полезных ископаемых гидравлическим способом и разрушения особо крепких пород. При таких скоростях, сравнимых со скоростью звука, возникают специфические явления, такие как разрыв сплошности воздуха и образование вакуумных областей.
Ключевые параметры гидравлической разработки
К основным параметрам, от которых зависит эффективность процесса, относятся:
- Осевое динамическое давление струи на забой.
- Диаметр насадки гидромонитора.
- Высота разрабатываемого уступа.
- Ширина забоя.
Оптимальная высота уступа для гидромониторов с расходом до 2000 м³/ч составляет 10–18 м, а для более мощных агрегатов — 20–40 м. Этот параметр особенно важен при оптимизации вскрышных работ.
Требуемое давление струи определяется типом породы. Например:
- Для плотного суглинка: 0.63–0.68 МПа.
- Для плотных глинистых пород: около 0.8 МПа.
- Для полускальных пород: около 0.87 МПа.
На основе оптимального давления по таблицам находят необходимый удельный расход воды и рассчитывают общий расход для обеспечения заданной производительности.
Геометрия и дальность струи
На начальном участке, от насадки до конца компактного ядра, диаметр струи можно считать постоянным и равным диаметру выходного отверстия насадки (d₀). Далее струя начинает расширяться. Длину начального участка и максимальную теоретическую дальность полета рассчитывают по формулам. Максимальная дальность достигается при угле наклона ствола в 45°, но на практике из-за сопротивления воздуха оптимальный угол составляет 30–35°.
Гидромонитор следует располагать как можно ближе к забою, чтобы породу разрушала компактная часть струи, а не ее распавшийся поток.
Транспортировка гидросмеси и организация забоя
После размыва образуется гидросмесь (пульпа), которую необходимо транспортировать к зумпфу – специальной аккумулирующей емкости для последующей перекачки. Чтобы предотвратить заиливание и обеспечить эффективный транспорт, необходимо создавать сосредоточенный поток по пульпоотводной канаве.
Уклон канавы и рабочей площадки зависит от крупности грунта и консистенции пульпы: чем крупнее материал и гуще смесь, тем больше должен быть уклон. Его увеличение повышает производительность смыва, но может привести к увеличению объема недомыва. Скорость потока регулируют, объединяя потоки от нескольких гидромониторов, поддерживая чистоту канавы и периодически прочищая ее струей воды.
Определение числа гидромониторов и условия безопасности
Число одновременно работающих гидромониторов определяют после выбора диаметра насадки, исходя из требуемого общего расхода воды. Если расчетный диаметр превышает стандартный, подбирают несколько гидромониторов так, чтобы их суммарная производительность соответствовала потребности.
Важным условием является безопасная высота уступа, которая по правилам не должна превышать 30 метров. Рабочий угол откоса зависит от типа грунта и может составлять от 50° для песчаных до 75° для глинистых грунтов.
В процессе работы гидромонитор периодически перемещают вперед на величину шага передвижки, которая рассчитывается по формуле.
Конструктивные особенности для улучшения качества струи
Качество струи (ее компактность и стабильность) можно улучшить, придав стволу гидромонитора коническую форму, установив внутри успокоители потока и увеличив длину ствола. Критическую роль играет конструкция насадки; на открытых работах наиболее распространены насадки с углом конусности 13°.
Для итогового определения количества рабочих гидромониторов необходимо знать характеристику пород, схему разработки и высоту уступа. По этим данным с использованием нормативных таблиц определяют требуемый напор и удельный расход воды (q). Затем, задаваясь диаметром насадки, по таблицам водопроизводительности (например, табл. 5.1.6) находят производительность одного гидромонитора и рассчитывают их необходимое количество.
