Расчет расхода и напора воды

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перед горнодобывающей промышленностью России стоят задачи интенсификации добычи и переработки минерального сырья при минимальных затратах на освоение месторождений полезных ископаемых.

Следует отметить, что наибольшая степень механизации технологических процессов при разработке месторождений достигается средствами гидромеханизации. Например, при разработке россыпных месторождений применение этого способа при соответствующих параметрах обеспечивает необходимую дезинтеграцию глинистых включений и при минимальных затратах позволяет решить вопросы наиболее полного извлечения полезного компонента. Увеличение эффективности применения гидромеханизированного способа разработки благоприятствуют использование для рыхления пород бульдозеров, экскаваторов и другой землеройно-транспортной техники.

При рациональном проектировании систем оборотного водоснабжения средств гидромеханизации с использованием методов ограниченного водопотребления выводят гидравлический способ разработки месторождений полезных ископаемых на ведущее место с точки зрения охраны окружающей среды.

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения и освоения студентами теоретических основ технологии, проектирования и эксплуатации средств гидромеханизации на открытых горных работах и основано на результатах исследований известных ученых, а также включает новые математические модели для расчета отдельных параметров средств гидромеханизации разработанные автором. Приведенные методики и подробный банк данных технических средств позволяют провести необходимые расчеты рациональных параметров в процессе проектирования разработки месторождений.

РАСЧЕТ ГИДРОМОНИТОРНОГО РАЗМЫВА ПОРОД В МАССИВЕ

Цель занятия.Определение необходимого расхода воды на отбойку и выгонку пород из забоя, напора, выбор типа и количества гидромониторов, определение параметров забоя.

Общие сведения

Сущность гидромониторной разработки заключается в разрушении и смыве пород струей воды, вылетающей под большим давлением из насадки гидромонитора. Разрушение породы происходит за счет энергии удара струи, фильтрации воды через поры породы, ослабления сцепления между ее частицами, увлажнения ее и размокания, растворения солей, содержащихся в породе.

Технология гидромониторного размыва состоит из подрезки забоя струей воды и смыва обрушенной и насыщенной водой породы в зумпф землесосной станции или в самотечную пульпоотводящую канаву.

При разработке рыхлых, несвязных или предварительно разрыхленных пород процесс разработки состоит из одной операции. В этом случае нет необходимости в подрезке уступа. Рыхлая порода одновременно насыщается и смывается водой.

При разработке связных пород, к которым относятся суглинки и глины разной плотности, а также слежавшиеся песчано-гравийные породы, процесс разработки состоит из двух операций: подрезки и смыва.

Наиболее трудоемкой операцией при гидромониторной разработке является подрезка уступа. В этот период насыщение потока воды породой крайне низко. При тяжелых суглинистых и особенно глинистых грунтах на подрезку затрачивается 60...70 % всего рабочего времени. При менее плотных породах время на подрезку составляет 30...50 %. В зависимости от типа пород, слагающих уступ, и их физико-механических свойств выбирают схему устройства вруба и последующего его расширения.

Различают следующие способы размыва пород при использовании гидромонитора: с нижней площадки уступа;с поверхности уступа (рис. 1.1); с недомывом (рис. 1.2). Отдельные способы подготовки пород по С.М. Шорохову включают размыв с увлажнением, механическим рыхлением (рис. 1.3) и рыхлением взрывными работами.

Удельный расход воды является одним из основных параметров, входящих в расчеты по проектированию средств гидромеханизации.

Исследованиями и опытом отработки месторождений с использованием средств гидромеханизации установлено, что величина удельного расхода воды зависит от:

а) физико-механических свойств грунта;

б) напора воды;

в) системы разработки и характеристики применяемого оборудования;

г) характера пород основания рыхлых отложений (плотика россыпи) и его уклона;

Рис. 1.1. Способы размыва пород при использовании гидромонитора: а - с нижней площадки уступа; б - с поверхности уступа (1 – забой, 2 – подошва забоя, 3 – гидромонитор)

д) диаметра насадки;

е) организации вскрышных и добычных работ, длины отрабатываемой заходки, высоты и ширины забоя.

Физико-механические свойства грунта во всех случаях оказывают значительное влияние на величину удельного расхода воды и на эффективность отработки месторождения. Практические данные показывают, что при переходе от легкоразмываемых грунтов к трудноразмываемым удельный расход увеличивается примерно в 8 раз. 

Рис. 1.2. Способ размыва пород с недомывом: 1 - зумпф; 2 – недомыв;

3 - подошва забоя

При гидромониторных работах на удельный расход и необходимое давление воды значительно влияет высота уступа. С увеличением высоты забоя повышается интенсивность размыва, снижается удельный расход воды, уменьшается протяженность карьерных трубопроводов, увеличивается объем породы, смываемая с одной стоянки гидромонитора и землесоса, уменьшается недомыв.

На практике всю толщу мягких вскрышных пород стараются разрабатывать одним уступом.

При разработке нескольких вскрышных уступов и при наличии в породном массиве различных по плотности и связности пород, разбивка на уступы должна производиться таким образом, чтобы подошва уступа, по которой производится подрезка, содержала менее связные породы, чем обрушаемый массив, что позволяет снизить необходимое давление воды.

Расчет расхода и напора воды

Данные по вариантам работ приведены в приложении 1.1 и 1.2.

Удельный расход воды на отбойку породы (м³/м³) вычисляют по формуле

a₁ = Р₁ / H^0,5 ×V_з ,    (1.1)

где Р₁ - коэффициент работы по отбойке (м³×м)^0,5; H - необходимый напор воды, м (табл. 1.1); V_з- коэффициент трудоемкости размыва забоя.

Рис. 1.3. Способы размыва пород: а – с увлажнением (применение гидроигл); б, в – с механическим рыхлением

Высота уступа соответствует мощности пород вскрыши и принимается с учетом следующих рекомендаций: при применении размыва с поверхности - не более 5 м; с нижней площадки уступа –не более 25...30 м. При большей мощности пород вскрыши из условий безопасности ведения работ принимают 2-3 уступа.

Удельный расход воды на выгонку (м³/м³) рассчитывают по формуле

a₂ = Р₂ / H^0,25 ×V_в , (1.2)

где Р₂ - коэффициент работы по выгонке (м³×м)^0,25; V_в- коэффициент трудоемкости перемещения пород.

Коэффициенты работы по отбойке (м³×м)^0,5 и выгонке (м³×м)^0,25:

 Р₁= 6×10^-4 ×H^2,6274;(1.3)

Р₂= (3,93×В_г² – 5,37×В_г + 237,98) × 10^-2, (1.4)

где В_г – выход мелкой гальки (-20+10 мм) в размываемых рыхлых отложениях, %.

Таблица1.1

Необходимый напор воды для размыва пород гидромонитором

Категория пород	Породы	Необходимый напор при высоте уступа, м:
		5	от 5 до 15	15
1	Предварительно разрыхленные не слежавшиеся	30-40	40-50	50-60
2	Пески мелкозернистые	30-40	40-50	50-60
	Супесь легкая	30-40	40-50	50-60
	Лесс рыхлый	40-50	50-60	60-70
	Торф разложившийся	40-50	50-60	60-70
3	Пески среднезернистые	30-40	40-50	50-60
	Супесь средняя	40-50	50-60	60-70
	Суглинок легкий	50-60	60-80	70-90
	Лесс плотный	60-70	70-80	80-100
4	Пески крупнозернистые	30-50	40-60	50-70
	Супесь тяжелая	50-70	60-80	70-90
	Суглинок средний, тяжелый и глины песчаные	70-100	80-110	90-120
5	Песчано-гравийная смесь с содержанием гравия до 25 %	40-80	50-90	60-100
	Глины полужирные с содержанием глинистых фракций 40...50 %	80-120	100-140	120-160
6	Песчано-гравийная смесь с содержанием гравия до 40 %	50-90	60-100	70-110
	Глины полужирные с содержанием глинистых фракций до 50...60 %	100-140	120-160	140-180

Расчетные данные коэффициентов по отбойке и выгонке необходимо проверить по таблицам 1.2 и 1.3.

Коэффициент трудоемкости размыва пород в забое определяют по формуле

V_з = x_р ×x_в,(1.5)

где x_р - коэффициент способа размыва (табл. 1.4); x_в - коэффициент высоты уступа.

Таблица 1.2

Необходимый расход воды на отбойку

Таблица 1.3

Необходимый расход воды на выгонку

Коэффициент высоты уступа зависит от способа размыва. Отличительными признаками способов размыва являются расположение гидромонитора относительно разрабатываемого уступа и приемы, используемые для отделения пород от целика, определяющие порядок размыва пород в забое.

x_в = а× Н_у^-в.             (1.6)

где а, в – эмпирические коэффициенты; Н_у – высота уступа, м.

                Таблица 1.4

Коэффициенты способа размыва

При размыве с верхней площадки уступа а=0,813, в=0,288. При размыве с нижней площадки уступа а=1,467, в=0,141.

Для размыва с предварительным увлажнением коэффициент высоты уступа находиться в пределах 0,6...0,8.

При размыве с механическим рыхлением, породы отделяют от целика бульдозером или экскаватором, образуя отвалы рыхлых пород. Напорной струей осуществляют только выгонку пород из отвала, вследствие чего удельный расход воды сокращается. Коэффициент высоты уступа для этих условий равен 0,8...0,9.

Для размыва с предварительным рыхлением взрывными работами (способ подготовки на практике имеет небольшое применение) коэффициент высоты уступа равен 0,9.

Коэффициент трудоемкости перемещения пород

V_в = x_с ×x_у ×x_вг ,            (1.7)

где x_с - коэффициент системы разработки;x_у - коэффициент уклона; x_вг - коэффициент способа выгонки пород.

Главным отличительным признаком гидравлических систем разработки является порядок перемещения очистных выработок (забоев), который оказывает влияние на использование ударной силы струи и эффективность перемещения пород от забоя к основным транспортирующим устройствам. По этому признаку различают: системы с попутным, встречным, боковым, веерным и комбинированным забоем (рис. 1.4, 1.5). Подчиненным отличительным признаком системы является направление перемещения забоя относительно восстания долины - продольная или поперечная, или относительно главного подъемного устройства - веерная или полувеерная.

Таким образом, различают следующие системы гидравлических разработок: с попутным забоем(попутно-продольная; попутно-поперечная; попутная с отступающим забоем);со встречным забоем(встречно-продольная; встречно-поперечная);с боковым забоем(боковая продольная; боковая поперечная);веерная (с полным веером; с полувеером); комбинированная.

Рис. 1.4. Системы гидравлической разработки месторождений:

а – попутным забоем; б – попутно-отступающим забоем; в – встречным забоем: 1 – уклон основания рыхлых отложений; 2 – границы забоев; 3 – нарезная канава

Рис. 1.5. Системы гидравлической разработки месторождений:

а – с боковым забоем; б – веерная: 1 – уклон основания рыхлых отложений; 2 – шарнир

Система разработки должна при наименьших объемах работ по проходке нарезных канав обеспечивать: наименьшие удельные расходы воды на размыв; наименьшие объемы работ по уборке валунов и перестановке оборудования; небольшие потери полезного ископаемого.Производительность оборудования разреза по промываемым грунтам при выбранной системе разработки должна быть максимальной, а себестоимость очистной выемки - минимальной.

Система гидравлической разработки месторождений с попутным забоем сокращают расход напорной воды на выгонку, целесообразно применять при мощности отложений до 10…15 м (в приведенных вариантах расчета гидромониторы устанавливают с одной стороны нарезной канавы). Система гидравлической разработки с попутно-отступающим забоем применяется при мощности отложений до 5 м. Система гидравлической разработки с встречным забоем увеличивает расход напорной воды на выгонку, целесообразно применять при мощности отложений более 15 м. Система гидравлической разработки месторождений с боковым забоем сочетает преимущества встречного и попутного забоев, а веерная - позволяет отрабатывать отложения со сложным направлением уклонов основания, но сложна в организации работ.

Одинаковые направления напорной струи гидромонитора и потока транспортируемой от забоя пульпы в системах с попутным забоем обеспечивают минимальную трудоемкость перемещения пород (табл. 1.5), а противоположное направление в системах со встречным забоем – максимальную.

Таблица 1.5

Значения коэффициентов системы разработки

Коэффициент уклона определяют по формуле

x_у = с / (100 ×i) + е,                      (1.8)

где с, е – эмпирические коэффициенты; i - уклон поверхности смыва (i = 0,015...0,060 в зависимости от состава размываемых грунтов, см. табл. 1.6). Направление ведения горных работ (продольное или поперечное) выбирают по значению максимального уклона и в случае если он больше или равен значениям, приведенным в табл. 1.6, его принимают в дальнейших расчетах. При меньших значениях, с целью обеспечения эффективной выгонки гидросмеси из забоя, организуют недомыв.

Таблица 1.6

Минимальные уклоны при самотечном гидротранспортировании пород

Для системы разработки попутным забоем и размещением гидромониторов на нижней площадке уступа, а также для системы разработки со встречным забоем, для систем разработки с боковым и веерным забоем - с=0,404, е=0,566. Для системы с попутно-отступающим забоем и размывом с поверхности с=0,186, е=0,758.

 Коэффициент способа выгонки пород при использовании только напорной струи гидромонитора x_вг = 1, а при применении бульдозера и напорной струи гидромонитора x_вг = 0,2...0,4.

Коэффициент способа перемещения при использовании напорной струи x_вг = 1, а при применении бульдозера и напорной струи x_вг = 0,2...0,4 .

Расчетные значения удельного расхода воды необходимо проверить с нормативными данными (табл. 1.7 и 1.8). Выбирается большее значение.

Таблица 1.7

Нормированные показатели удельного расхода воды и напора по ЕНВиВ

Продолжение таблицы 1.7

*Примечание. Нормы удельного расхода воды установлены для размыва боковым и встреч­ным забоем с установкой гидромонитора на плотике, для других случаев размыва удельный расход воды умножать на поправку: 0,9 - для попутного забоя с гидромонитором на плотике; 1,15 - для попутного забоя с гидромонитором на верхней площадке уступа; 1,11 - при нали­чии валунов (+200 мм) более 10% от общего объема горной массы; 1,18 - при наличии ста­рых горных выработок с забутовкой деревянной крепью; для зачистки плотика - в зависимости от степени его закарстованности в процентах:

Таблица 1.8

Нормирование удельного расхода воды на размыв пород россыпных

месторождений по методу НТП-76

Примечания.

1. Увеличение расхода воды на зачистку плотика принимать умножением на повышаю­щий коэффициент аналогично табл. 1.5.

2. При наличии валунов размером +200 мм удельный расход увеличивать делением на следующие коэффициенты: 0,9 при выходе до 2 %; 0,8-0,85 - при выходе валунов от 2 до 5 %; 0,75-0,8 - при выходе более 5 %

3. Мерзлые породы I и II категории нормировать по III категории, III по IV и т.д.; для мерзлых пород V категории принимать удельный расход выше указанного в таблице на 20%.

Гидравлический расчет гидромониторов предусматривает расчет расхода воды у насадки гидромонитора, скорости вылета струи из насадки и ее диаметра, а также рабочего напорау насадки гидромонитора.

Секундный расход воды у насадки гидромонитора (м³/с):

а) при отбойке пород

Q^о_с = W_г ×a₁ / (3600×T); (1.9)

б) при выгонке пород

Q^в_с =W_г ×a_{2 .}/ (3600×T) ,(1.10)

где W_г - суточная производительность предприятия по породе, м³; Т - чистое время работы гидромонитора в течение суток, ч.

Величина W_гопределяется по данным приложения 1.1 с учетом фактического времени использования гидроустановок во времени (табл. 1.9). Для гидроустановок, эксплуатируемых при разработке россыпных место­рождений, коэффициент использования во времени рекомендуется принимать в пределах 0,7-0,85.

Чистое время работы гидромонитора в течение суток

Т = n · t_см · k_и,

где n– число рабочих смен в сутках; t_см - продолжительность смены, ч; k_и - коэффициент использования гидромонитора во времени.

Таблица 1.9

Коэффициент использования гидроустановки во времени

В работе учитывать сброс пульпы в водоем или отвал без устройства обвалования.

Скорость вылета струи из насадки (м/с) рассчитываем по формуле

V_с = j× , (1.11)

где j - коэффициент скорости, g - ускорение свободного падения, м/с².

Коэффициент скорости находится в пределах 0,92...0,96 и зависит от плавности перехода и качества обработки внутренней поверхности насадки. В расчетах принимаем в первом приближении значение коэффициента скорости 0,94.

Расчетный диаметр насадки (м):

а) на отбойку породы

D = 0,55 × ;             (1.12)

б) на выгонку породы

D = 0,55 × .(1.13)

При выборе марки гидромонитора (прил. 1.3) необходимо руководствоваться сле­дующими положениями:

-поскольку в решаемой задаче не требуется использо­вание экономических критериев, выбор гидромонитора производится по вели­чине его производительности по воде. При этом не нужно стремиться к обеспе­чению заданного расхода воды одним гидромонитором. Надо иметь в виду, что в прил. 1.3 указано ориентировочное значение максимально возможной произ­водительности, которая очень существенно меняется в зависимости от диамет­ра насадки и рабочего напора воды;

- если расчетный диаметр насадки не соответствует стандартным диаметрам выбранного гидромонитора, выбирают два и более других марок по параметрам суммарного водопотребления и площади поперечного сечения насадок.

Используя стандартные диаметры насадок (прил. 1.4) выбранного гидромонитора, определяем действительный рабочий напор у насадки гидромонитора (м):

а) на отбойку пород

H^о_д = 0,55⁴×Q^о_с² / D⁴; (1.14)

б) на выгонку пород

H^в_д = 0,55⁴×Q^в_с²/ D⁴ .                                       (1.15)

Расчетные значения напора воды H^о_д необходимо проверить с нормативными данными (табл. 1.7 и 1.8). Если нормативное значение больше меняют насадку или тип гидромонитора.

Действительная скорость вылета струи из насадки (м/с) определяется по формуле

V_д = j× .(1.16)