Эффективность гидравлического разрушения пород зависит прежде всего от давления струи гидромонитора на забой и характеристики размываемых пород. Поэтому расчет начинают с установления величины этого давления. В общем виде может быть рекомендована такая его последовательность.
Большую роль в формировании структуры струи играет воздух. Чем меньше диаметр струи, тем больше ее относительная поверхность и тем сильнее воздух влияет на ее движение. При повышенных скоростях струй обмен между воздушной средой и жидкостью струи становится активным, воздух в большом количестве вовлекается в движение и влияние его на состояние струи становится настолько значительным, что струи высоких и сверхвысоких давлений быстро распадаются в воздухе.
Струи низкого давления в гидромеханизации применяют для разработки несвязных грунтов и для смыва насыпных материалов. Струи среднего давления составляют основную категорию гидромониторных струй при выполнении земляных и в редких случаях горных работ. Скорость на поверхности этих струй такова, что сила трения струи о воздух оказывается преобладающей над силой поверхностного натяжения. На поверхности тангенциального разрыва образуются вихри, биение которых заметно в дымке, окружающей струю. Дымка представляет собой водную пыль, находящуюся в вихревом движении.
К основным параметрам, определяющим эффективность гидравлической разработки, относят осевое динамическое давление струи на забой, диаметр насадки гидромонитора, высоту разрабатываемого уступа, ширину забоя.
Для гидромониторов с расходом воды до 2000 м3/ч оптимальные условия работы создают при высоте уступа 10... 18 м, а для мощных гидромониторов — 20...40 м. Как правило, оптимизацию высоты уступа проводят только при гидровскрышных работах, когда мощность вскрыши составляет 20...30 м и более. В остальных случаях высоту уступа определяют по условиям разработки.
В соответствии с породами, подлежащими размыву, устанавливают оптимальное осевое динамическое давление струи на забой. Для плотного суглинка оно равно 0,63... 0,68 МПа, плотных трудноразмываемых глинистых пород — 0,8 МПа, полускальных пород — 0,87 МПа. По оптимальному осевому динамическому давлению находят необходимый удельный расход напорной воды (табл. 5.1.3) и рассчитывают расход воды, обеспечивающий заданную производительность объекта по горной массе.
При давлении перед насадкой порядка 60 МПа и выше скорость истечения жидкости становится равной или большей по значению, чем скорость распространения звука в воздухе. При подобной скорости возникают особые явления, такие как разрыв сплошности подтекающего к струе воздуха и образование в связи с этим вакуумных областей. Условия турбулентного перемешивания в толше струи изменяются. Струи высокого и сверхвысокого давления обладают огромной разрушительной силой. Они режут твердые (изверженные) породы и даже сталь.
Струи высокого и сверхвысокого давления применяют при добыче полезных ископаемых гидравлическим способом и в других случаях, когда возникает необходимость разрушения очень крепких пород. Диаметр струи на всем протяжении начального участка, т.е. от выхода из насадки до конца ядра, можно принимать одинаковым и равным диаметру выходного отверстия насадки dQ. Далее диаметр струи начинает увеличиваться.
Длину начального участка струи определяют по формуле
откуда видно, что максимальная теоретическая дальность полета струи достигается при наклоне ствола гидромонитора к горизонту под углом a = 45° (в действительности из-за влияния воздуха принимают a = 30...35°).
Целесообразно располагать гидромонитор как можно ближе к забою. Неэффективно размывать грунт разрушенной частью струи. Необходимо стремиться к тому, чтобы струя достигала разрабатываемого массива своей компактной частью.
Размываемый гидромониторной струей грунтовый или горный массив является трудной преградой для струи, на разрушение которой расходуется ее энергия, при этом струя полностью распадается и представляет собой поток капелек в воздухе.
Каждая категория грунта и породы требует для своего эффективного размыва более или менее определенного оптимального значения удельных давлений струи и удельных расходов воды. В табл. 5.1.4 приведены водопроизводительность гидромониторов (при различных диаметрах насадок) и скорость струи при вылете из насадки в зависимости от напора перед насадкой.
Оптимальным принимают то давление, при котором требуется минимальное количество воды на разработку 1 м3 грунта.
Потери напора в гидромониторе
Число одновременно действующих гидромониторов устанавливают после определения необходимого диаметра насадки. Когда расчетное значение последнего больше стандартного, его подбирают с таким расчетом, чтобы оно было примерно кратным dH. Исходя из этого, находят число одновременно действующих гидромониторов.
Движение гидросмеси от забоя до зумпфа (зумпф — это углубление на площадке уступа, в которое поступает пульпа от забоя, иначе аккумулирующая емкость, где собирается вода, уголь или порода для всасывания и перекачки их землесосом) происходит по уклону, создаваемому в процессе ведения горных работ. Технологические схемы гидромониторного размыва приведены на рис. 5.1.9.
При движении от забоя к зумпфу гидросмесь стремится стекать рассредоточенными потоками, имеющими небольшую глубину. Рассредоточенный поток не в состоянии перемещать крупные куски грунта, и они остаются на подошве забоя. В результате происходит уменьшение уклона и скорости потока, что приводит к резкому снижению транспортирующей способности потока. В подошве забоя из потока начинают откладываться даже мелкие частицы грунта, и наблюдается замыв рабочей площадки.
Для предотвращения этого необходимо, чтобы поток пульпы был сосредоточенным, а уклоны подошвы забоя обеспечивали необходимые скорости движения, при которых потоком перемещалось наибольшее количество грунта. Создание сосредоточенного потока достигается путем устройства в подошве рабочей площадки забоя пульпоотводной канавы, располагаемой обычно так, чтобы обеспечить транспортирование пульпы по наикратчайшему пути от забоя до зумпфа.
При работе в забое нескольких гидромониторов целесообразно, чтобы потоки пульпы от каждого гидромонитора объединялись в единый поток и попадали в пульпоотводную канаву на возможно близком расстоянии от места размыва грунта в забое.
Устройство пульпоотводных канав обычно выполняется струей гидромонитора, экскаватором или бульдозером.
клон канавы так же, как и подошвы рабочей площадки забоя, зависит от типа разрабатываемого грунта и содержания крупных частиц. Чем крупнее грунт, тем больше должен быть уклон канавы и площадки. Уклон канавы и площадки зависит также от расхода пульпы и содержания в ней грунта. С увеличением расхода пульпы густой консистенции необходимы большие уклоны, чем при транспортировании жидкой пульпы.
При изменении высоты уступа изменяются и минимально допустимые уклоны площадок уступа. Это объясняют тем, что с увеличением высоты уступа уменьшаются удельные расходы воды на размыв грунта и, таким образом, повышается консистенция пульпы, в результате чего транспортирующая способность потока снижается и для поддержания ее необходимо увеличение уклонов пульпоотводной канавы.
С увеличением уклонов повышается и производительность смыва грунта. Однако в этом случае резко возрастает объем недомыва (см. рис. 5.1.8 и 5.1.9), поэтому при отсутствии попутных уклонов скорость потока нельзя повышать путем увеличения уклона сверх минимально допустимого [5]. Особенно это недопустимо при проведении профильных выработок.
Повышать скорость потока целесообразно следующим образом:
-собирать в один сосредоточенный поток пульпу, стекающую от забоя;
-не допускать засорения канавы крупными камнями, корнями растений и т.п.;
- периодически прочищать канаву струей гидромонитора с целью поддержания необходимого уклона.
Высота уступа оказывает большое влияние на эффективность разработки грунта: с увеличением высоты уступа повышается интенсивность размыва, снижается удельный расход воды, возрастает объем смыва грунта с одной стоянки гидромонитора. Однако по условиям безопасности в соответствии с Едиными правилами безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом высота уступа не должна превышать 30 м.
Рабочий угол откоса уступа высотой до 20 м из однородных необводненных грунтов при оползневом характере обрушения по поверхности скольжения, близкой к цилиндрической, составляет для грунтов: глинистых 60...75°, суглинистых 55...70°, песчаных 50...60°.
По мере разработки заходки блоками гидромонитор периодически перемешают к
забою на расстояние, равное шагу передвижки.
Шаг передвижки гидромонитора, м,
Для улучшения качества гидромониторной струи стволу гидромонитора придают коническую форму и устанавливают внутри ствола успокоители специальной конструкции. При увеличении длины ствола качество струи улучшается. Существенное влияние на качество струи оказывает насадка гидромонитора. На открытых разработках наибольшее применение нашли насадки с углом конусности 13°.
Для определения числа рабочих гидромониторов необходимо знать характеристику пород, схему разработки и высоту уступа, по которым с помощью нормативов определяют напор и удельный расход воды q. Задаваясь диаметром насадки, узнают о водопроизводительности гидромонитора (табл. 5.1.6).
