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

Г л а в а V

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ВСАСЫВАНИЯ НЕСВЯЗНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВСАСЫВАНИЯ

Всасывание несвязных (в естественном отложении) или дробле­ ных горных пород выполняется гидротранспортными установками из подводных забоев и приемников гидросмеси (из аккумулирующих устройств, зумпфов и др.). Такие установки оборудуются насосами для гидросмеси или гидроэлеваторами.

На рис. 31 приведена схема гидротранспортной установки со всасыванием несвязной горной породы из подводного 8 абоя. Из этой схемы следует, что размыв частиц породы в процессе всасыва­ ния возможен в том случае, если между наконечником и рыхлым осадком в слое будет образован непрерывный поток несущей среды (воды). Этот поток можно охарактеризовать с р е д н е й с к о ­ р о с т ь ю в с а с ы в а н и я цвс, которая определяется расходом, отнесенным к площади поперечного сечения этого потока. Легко представить себе, что этот параметр имеет различное значение на поверхности (или в толще осадка), в щелевом пространстве между поверхностями (отделяющихся объемом осадков) расположения по­ роды и наконечника и, наконец, во всасывающей трубе.

По мере продвижения установки изменяется положение всасы­ вающей трубы по отношению к забою. В зависимости от вида рыхлых осадков (их крупности, ележиваемости или уплотнения в естествен­ ном состоянии) всасывающий наконечник может быть заглублен на некоторую глубину в грунт или находится на поверхности рых­ лого осадка. Одновременно изменяется скорость всасывания, прежде всего в щели между поверхностями расположения породы и нако­

Для обеспечения непрерывности процесса всасывания должно

родой hn. Данный параметр зависит от вида рыхлых отложений, скорости ивс в наконечнике и его геометрических форм. Постоянство

112

величины hn достигается поддержанием определенной для данных условий с к о р о с т и п о д а ч и в с а с ы в а ю щ е г о н а ­ к о н е ч н и к а ип.

Как будет показано ниже, процесс всасывания несвязных частиц можно представить в виде размыва породного слоя с образованием так называемой в о р о н к и в с а с ы в а н и я диаметром D a. Размеры воронки зависят от изменения величины скорости всасы­ вания при подходе потока ко всасывающему наконечнику. Это

—плотик; 2—■слойрыхлыхотложений; —наконечник; —всасывающаятруба; — 1 плавучееоснование; 6з—насосдлягидросмесиi 5

объясняется тем, что на определенном отдалении от наконечника всегда существует такая минимальная величина скорости всасыва­ ния, при которой частицы отрываются от породного слоя. Мини­

вида породы, степени ее естественного уплотнения в слое (прибли­

новки, выражаемая расстоянием по вертикали от уровня свободной поверхности жидкости до места установки насоса или гидроэлеватора.

Поскольку любое гидротранспортное устройство осуществляет про­ цесс всасывания под действием атмосферного давления, всасыва­ ющая способность установки определяется в а к у у м о м в о в с а ­ с ы в а ю щ е м п а т р у б к е и л и в а к у у м м е т р и ч е с к о й

в сечении /■—/ (см. рис. 31), Я /м 2; у (у0) — удельный вес гидросмеси (воды), кН/м3.

Вакуум во всасывающей трубе обеспечивает всасывание (вклю­ чая размыв) породы, перемещение гидросмеси по всасывающему

114

трубопроводу и в каналах рабочего колеса насоса. Значение пара­ метра определяется зависимостью

В случае всасывания дробленой породы или грунта из приемника гидросмеси процессы протекают аналогично и характеризуются теми же параметрами. При ограниченных по емкости приемниках всасывание может происходить в стесненных условиях (и даже без размыва грунта). На рис. 32 приведена схема установки с гид­ равлическим всасыванием из приемника гидросмеси. Особенности устройства — возможность регулирования процесса за счет допол­ нительной подачи большего или меньшего количества воды через всасывающий патрубок.

5§ 2. ФИЗИЧЕСКАЯ СХЕМА ДВИЖЕНИЯ ГИДРОСМЕСЕЙ ПРИ ВСАСЫВАНИИ

Гидродинамический п р о ц е с с в с а с ы в а н и я т в е р д ы х ч а с т и ц непрерывным потоком включает следующие фазы: увле­ чения отдельных частиц при u S& и 0, массового движения при и 5 2 (2 —3) и 0с образованием начальной воронки всасывания и массового движения при и s= (3—5) и0 с образованием предельной воронки всасывания. Кинематографические исследования показывают, что перемещение частиц в слое сползающего материала происходит при образовании воронок всасывания с высоким динамическим

коэффициентом сплошности.

Образование воронок всасывания требует заглубления всасыва­ ющего наконечника и сопровождается мощным центральным вихрем во входном сечении. На рис. 33 приведена схема, поясняющая протекание процесса. Воздействие вихря создает начальную воронку с местным возвышением из твердых частиц. Оно образуется из-за резкого изменения направления движения струй жидкости и образования вихревой и застойной зон в центре потока. Централь­ ный вихрь возникает обычно при всасывании мелких частиц. При значительной фильтрации жидкости через частицы (например, круп­ ные куски породы) вихрь «рассеивается». На рис. 33 показаны линии распределения скоростей у всасывающего наконечника с образова­ нием воронки всасывания. Для выяснения картины распространения линии тока в области всасывающей воронки используют различные способы их фиксации (обычно с искусственно приготовленными частицами плотностью, равной плотности воды).

В общем случае расход

Qs = mE (к — Up),

где т — коэффициент динамической сплошности (отношение сум­ марного объема движущихся частиц к объему сплошного слоя Е площадью, м2); ир — размывающая скорость.

В соответствии со схемой (см. рис. 33) размыв частиц начинается их движением по радиусам к вертикальной оси наконечника. Про­ цесс определяется, как уже отмечалось, средней скоростью потока в кольцевом сечении между наконечником и поверхностью породы.

Рис. 33. Образование воронки в зоне всасывания (цилиндрический наконечник с ивс = 200 м/с но из­ мерениям в ЦНИИС) с линиями равных скоростей

Для характеристики условий процесса для наконечников с круг­ лой или эллиптической формой входного отверстия используют

рости цсс всасывания гидросмеси (соответственно 3,5—1,5 м /с в трубе) для воронки предельного размыва, эти потери не должны превы­ шать 1 — 2 м вод. ст.

116