Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

Для перекачивания по трубопроводам обычно рекомендуются бетонные смеси с водоцемептным отношением 0,5—0,75 и осадкой конуса 4—12 см. Действительное водоцемеятное отношение цементной смеси, находящейся в составе бетонной смеси, всегда меньше В : Ц в начале затвердения (часть воды «поглощается» песком, водоудер­ живающая способность которого достигает 20%); с учетом этих условий В : Ц = 0,4—0,5. По измерениям в трубах для такого значения В : Ц (для обычного портланд-цемента) в течение первого

составляет: >10 мм — 15%, 5—10 до 30% и < 1 мм до 50%, то для обеспечения удерживающей способности жидкость должна обла­

Удерживающая способность бетонных, глинистых и тяжелых сред (в обогащении) зависит от дисперсности частиц. На рис. 8 приведены примерные значения х (у), обеспечивающие практически необходимую удерживающую способность частицам породы разной крупности (по известным в практике бурения рекомендациям). Для приближенного определения псевдовязкости можно рекомен­ довать формулу

Для горного производства в практике часто наиболее приемлемы гидросмеси, которые перемещаются в трубопроводах с высокими концентрациями при минимальных сопротивлениях, а при внезапных остановках не расслаиваются в потоке на две фазы в течение доста­ точно длительного времени. Смеси, обладающие такими свойствами,

45

удобно хранить в резервуарах-аккумуляторах, а в случае надобности безопасно оставлять в магистральных трубопроводах при прекра­

дисперсные гидросмеси, а также полидисперсные из различных по крупности классов (включая даже крупные). Стабильность таких смесей обусловлена наличием определенных структурных связей.

с высокими концентрациями по современным представлениям основ­ ную роль играют силы трения частиц, сведенных в структурную решетку, а также взаимодействие силовых полей около частиц. Это подтверждается наличием существенной разницы в зиачениях критической концентрации твердой фазы (при которых обнару­ живаются динамические сопротивления сдвигу) для иоиогенных и неиопогеииых смесей. Даже при малых s в ионогенных гидро­ смесях обнаруживается динамическое сопротивление сдвигу.

Исследования показывают, что в зависимости от вида гидро­ смесей и технологических особенностей их использования возможны два способа достижения стабильностей смесей — п о д б о р о м д и с п е р с н о г о с о с т а в а т в е р д о й ф а з ы и п р и ­ м е н е н и е м п о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы х в е щ е с т в , способствующих образованию так называемых лиофобных систем (с сильно разрушенными структурными связями), но и с малыми скоростями осаждения. Рассмотрим некоторые стабильные гидро­ смеси.

Для у г о л ь н ы х г и д р о с м е с е й проведены исследо­ вания на вискозиметрах и в трубопроводе с целью установления соотношения классов угля в смеси, обеспечивающих требуемую стабильность. При этом особое внимание уделялось изучению влия­ ния на свойства гидросмеси частиц угля мельчайших классов по крупности (не превышающих 70 мк) при разных концентрациях. В экспериментах использовались угли марок Г, ПС и АЩ с золь­ ностью до 15% (исследования ИГД им. А. А. Скочинского).

На рис. 9, а показано изменение кажущейся вязкости гидросмеси в зависимости от объемной концентрации. Из графика видно, что с увеличением концентрации гидросмеси значения а возрастают, причем наблюдается некоторая величина критической объемной концентрации sKp, при превышении которой увеличение вязкости происходит значительно быстрее. Эта концентрация характеризуется не отдельной точкой, а зоной, начинающейся в месте отклонения зависимости р = / (s) от прямой. На рис. 9, а видно, что график для гидросмеси, содержащей уголь класса 0—15 мк, занимает обосо­ бленное положение по сравнению с графиками остальных смесей.

Анализ результатов измерений реологических параметров в зави­ симости от содержания в гидросмеси различных классов угля, в частности р (d), позволил представить опытные данные в виде кривых (рис. 9, б). При рассмотрении графика можно отметить

46

резкое изменение величины р для гидросмесей при уменьшении крупности частиц угля. С увеличением концентрации гидросмеси точка резкого изменения реологических характеристик смещается в сторону более крупных частиц. Для гидросмесей с концентра­ цией 26—32% преобладающее влияние на вязкость и напряжение сдвига оказывают частицы, не превышающие 40 мк. При тех же концентрациях присутствие в гидросмеси более крупных частиц оказывает малое влияние на реологические свойства.

При увеличении концентрации крупность частиц, оказывающих преобладающее влияние на реологические характеристики гидро­ смеси, возрастает и при концентрациях 36—38% по объему включает

о б

Рис. 9. Влияние концентрации и крупности частиц на структурную вязкость угольной гидросмеси:

о — кривые ц (s); 1—4 — соответственно для классов 0—15; 0—40; 0—G3 и 0—80 мк; б — кривые р. (d); 1—в — соответственно при s = 0,26; 0,28; 0,3; 0,32; 0,34 и 0,36

даже частицы размером 60—70 мк. Частицы крупностью более 70—100 мк на свойства гидросмеси влияют незначительно. Пре­ обладающее влияние на реологические параметры оказывают тонкие классы угля, содержание которых выше некоторого определенного количества (в данном случае выше 27—30%) качественно меняет свойства смеси.

Для полидисперсных частиц меру стабильности (устойчивости) гидросмеси можно характеризовать понижением уровня (рис. 10) отстоявшейся воды от времени осаждения гидросмеси (или в виде скорости осветления смеси). Этот процесс можно также проследить на примере осаждения частиц при наличии в смеси угля фракций 0—15 и 0—40 мк. Результаты измерений показали, что с увеличением концентрации скорость осаждения изменяется весьма неравномерно и при достижении некоторой концентрации резко уменьшается. Концентрации, при которых происходит резкое замедление скорости

47

расслаивания гидросмеси, оказываются выше критических (см.

рис. 10).

Стабильные угольные гидросмеси, например, могут найти при­ менение при создании топливно-энергетических комплексов на основе магистрального трубопроводного транспорта и технологии непосредственного сжигания водоугольпых смесей (без обезвожи­ вания). Например, для прямого сжигания угля в циклонных топках теплоэлектростанций после транспортирования по трубопроводу минимальный размер частиц не должен превышать 2—3 мм, а при сжигании в обычных топках 0—200 мк. Однако угли этих классов могут иметь самый разнообразный гранулометрический состав, которым, как было показано, определяются физико-механические

Рис. 10. Изменение уровня отстоявшейся воды в завпслмостн от времени

свойства гидросмеси. Особенно важно содержание частиц круп­ ностью до 70 мк. Измерения показывают, что гидросмесь, содержа­ щая небольшое количество этих частиц (до 15% от всего количества мелкого угля), транспортируется только в режиме турбулентного течения, но имеет тенденцию расслаивания при прекращении пере­ качки или хранении в резервуаре (см. подробнее гл. IV).

Повышенное содержание частиц 0—70 мк делает гидросмесь более устойчивой, но может вызвать в диапазоне рабочих скоростей транспортирования вязко-пластичный режим течения и привести к неэкономичной работе транспортной системы. Поэтому возникает задача определения оптимальной гранулометрической характери­ стики угля, транспортируемого по трубопроводу (иначе, соотношения классов угля) при разных концентрациях гидросмеси.

В практике обогащения используются гидросмеси для разделения минеральной компоненты руд. Их называют т я ж е л ы м и с р е ­ д а м и . Надлежащая устойчивость таких смесей достигается доба­ влением в них частиц мельчайших классов того же или специально подобранного материала. Для минералов (или горных пород) боль­ шого удельного веса «утяжеляющая» способность или их стабили­ зация сильно зависит от содержания частиц меньше 5 мк. Класс О1—5 мк способствует более резкому повышению вязкости смеси.

48

Причина в том, что такие частицы при определенных условиях являются центрами образования структуры.

В опытах с гидросмесями из глины и бетонита (крупность на сите 100 мк около 0,1%, ыа сите 10 мк 85%) установлено, что доба­ вление в поток этих мельчайших классов резко изменяет величину вязкости. Например, 10% по весу такой глины в несколько раз

сивов и др.), перекачиваемым по трубам, предъявляются более высокие требования в отношении стабильности (однородности и постоянства состава), чем к обычным смесям. Смесь с осадкой стан­ дартного конуса более 15—18 см (так оценивается на практике устойчивость бетона) ие рекомендуется вообще транспортировать по трубам, так как при этом из потока выпадает крупный заполнитель и создаются пробки. Жесткая бетонная смесь с осадкой конуса 1 — 5 см также непригодна (малоподвижна). Лучшие результаты дает смесь с осадкой стандартного конуса 7—10 см.

Опыт свидетельствует, что эффективнее перекачивать смеси с большим содержанием цемента. Размер зерен крупного запол­ нителя на должен превышать 1/3 внутреннего диаметра труб. Целе­ сообразно, чтобы количество пылевидных частиц песка крупностью до 0,15 мм находилось в пределах 5%, а песка крупностью до 0,3 мм — в пределах 20% от общего количества.

Для достижения свойств стабильности (улучшения подвижности) смеси используют пластифицирующие добавки в количестве 0,1 — 0,25% от веса цемента, что обеспечивает при той же подвижности экономию 8—10% цемента.4

4 Заказ 545

Г л а в а III

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ (РАЗМЫВА) ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СТРУИ II ИХ ТИПЫ

Для гидравлического разрушения или размыва горпых пород в зависимости от их прочностных характеристик применяют гидра­ влические струи различных параметров.

Г и д р а в л и ч е с к и е с т р у и образуются (или форми­ руются) при истечении жидкости (воды) через монтируемые на стволах гидромониторов насадки различной формы, выполняемые обычно в виде сужающих поток устройств. Этими устройствами достигается направленное движение гидравлической (иначе назы­ ваемой гидромониторной) струи с большой скоростью и0.

После вылета из насадки гидравлическая струя попадает в воздух и подвергается распаду вследствие трения и насыщения частицами газовой среды. Степень распада и насыщения воздухом струи воз­ растает с удалением от насадки. При этом постепенно увеличивается средний диаметр струи по мере удаления от сечения к сечению (рис. 11). Как это следует из схемы, одновременно уменьшается осевая ит и средняя и 0 скорости струи, а соответственно и общее давление ее в рассматриваемых поперечных сечениях от d 0 до D 1V.

Процессы распада и насыщения гидравлической струи проис­ ходят с большей или меньшей интенсивностью в зависимости от следующих факторов: силы тяжести, вязкости жидкости, начального диаметра струи, сил поверхностного натяжения и напора (давле­ ния), под действием которого происходит истечение сформированной струи из насадки, а также конструктивного исполнения механи­ ческих устройств, предназначенных для создания напора и форми­ рования струи.

Отмеченное разнообразие факторов, влияющих на параметры струи и ее качества, в первую очередь определяются начальным диаметром d Qи напором истечения Н 0, или давления р 0. Поэтому используемые при гидромеханизации струи классифицируются по диапазону изменения величин d0 и Н 0. Различают следующие гидра­ влические струи:

50

Рис. И . Схема свободной струи жидкости в воздухе:

а — общая схема; б — изменение сплошности потока жидкости для попе­ речных сечений I—IV

4) т о к к и е, с в е р х в ы с о к и х д а в л е н и й : d0 = = 1—2 мм и ро — [500(1000)—20001105 Н /м2 и более.

Вследствие применения различного по принципу действия основ­ ного оборудования в гидравлических установках, а именно для создания струй низкого и среднего давления — центробежных насосов, а высокого и сверхвысокого — поршневых (или плунжер­ ных) насосов, перечисленные четыре вида струй можно разбить на две группы. В каждой из этих групп формирование струй про­ исходит приблизительно в одинаковых условиях. Обычно струи

ро м о н и т о р н ы м и .

Впромышленности струи большого диаметра применяют для разрушения (или размыва) рыхлых породных или угольных

51