книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

Д. П. ЛОБАНОВ, А. Е. СМОЛДЫРЕВ

ГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ

И ГОРНЫХ РАБОТ

Допущено Министерством высшего и сред­ него специального образования СССР в ка­ честве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям. «Технология и техника разведки месторо­ ждений полезных ископаемых» и «Геология

и разведка месторождений полезных ископаемых»

ИЗДАТЕЛЬСТВО ((НЕДРА»

Москва 1974

Лобанов Д. П., Смолдырев А. Е. Гидромеханизация геолого­ разведочных н горных работ. М., «Недра», 1974, 296 с. с пл.

В учебном пособии дано систематическое изложение основных сведений по гидромеханизации геологоразведочных и горных ра­ бот на месторождениях твердых полезных ископаемых.

Приведены основные понятия и определения пз гидравлики и технической гидромеханики, широко используемые в изложении многих учебных курсов горно-геологического цикла. Изложены теоретические основы процессов гидравлического разрушения, размыва, транспортирования и всасывания горных пород, а также физико-механические свойства гидросмесей из различных горных пород. Рассмотрены технологические схемы гидромеханизации

иметодологические вопросы применительно к ведению поисковых

иразведочных работ, эксплуатационной разведки, вскрытию и под­ готовке месторождений, проведению траншей и опробованию рос­

сыпных месторождений; технологические схемы для вскрышных работ, гидравлической добычи и транспортирования, процессов гидравлической и твердеющей закладки, заиливанию; технологи­ ческие схемы для создания искусственных целиков в рудниках и выщелачивания месторождений. Описаны современное оборудо­ вание н новые образцы техппкп для технологических комплексов гидромеханизации, а также передовой опыт применения гидромеха­ низации в экспедициях и на предприятиях. Приведены инженер­ ные расчеты параметров гидравлических установок.

Книга предназначена для студентов геологоразведочных, гор­ ных вузов п факультетов, а также может быть полезна ппжепериотехннческпм работникам производства, паучпых, проектных и про­ ектно-конструкторских институтов геологоразведочного и горного профилей.

Таблиц 17, иллюстраций 136, список литературы — 36 на­ звании.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Программе Коммунистической партии Советского Союза, в ре­ шениях XXIV съезда КПСС указаны экономические и социальные преобразования в стране на ближайшую и далекую перспективу, базой для которых является геологоразведочная и горная отрасли народного хозяйства. Успешное развитие этих отраслей определяет уровень экономики народного хозяйства.

Развитие геологоразведочной и горной отраслей определяется в свою очередь научно-техническим прогрессом производства в экс­ педициях, на рудниках, шахтах и карьерах. Основой научно-техни­ ческого прогресса является комплексная механизация и автомати­ зация производственных процессов при поисках, разведке и эксплу­ атации месторождений полезных ископаемых.

Гидромеханизация — один из важнейших и широко применяемых способов комплексной механизации, в основу которого положено поточное выполнение одного или ряда технологических процессов с использованием энергии воды. В нашей стране достигнуты зна­ чительные успехи в повышении производительности труда и эффек­ тивности производства геологоразведочных и горных работ на основе применения гидромеханизации. Соответствующие знания

вэтой области неотъемлемы от других знаний горного инженера. Необходимость создания учебного пособия по гидромеханизации

связана с тем, что для различных специальностей геологоразведоч­ ных институтов и факультетов читаются курсы по технологии и ком­ плексной механизации проведения разведочных горных выработок, технологии и комплексной механизации разработки месторождений, буровому делу и др., в которых методически неполно разработаны разделы по гидромеханизации. Это можно объяснить тем, что об­ ласть применения гидромеханизации охватывает все основные про­ цессы технологии (гидравлическое разрушение, транспортирование и укладка пород в отвалы) и все виды разведочных и горных работ (проведение гидравлическим способом выработок, выполнение оп­ робования, первичная обработка проб и др.).

Сведения по гидромеханизации рассредоточены по разным кур­ сам, что усложняет усвоение студентами этого раздела инженерных знаний. Предлагаемое учебное пособие учитывает отмеченные выше недостатки в изучении основ гидромеханизации. Содержание

Г л а в а I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗ ГИДРАВЛИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При выполнении гидромеханизированных геологоразведочных и горных работ технологические процессы ведутся полностью пли частично с использованием энергии движущегося потока жидкости (воды, раствора или механической смеси воды с твердыми части­ цами).

Законы движения жидкостей изучаются механикой жидкостей, или иначе г и д р о м е х а н и к о й . Прикладные задачи, свя­ занные с движением несжимаемой жидкости в одномерном представ­ лении, рассматриваются г и д р а в л и к о й , а в трехмерном — собственно гидромеханикой.

Решение задач гидромеханики или гидравлики при изучении движения жидкости ведется для условий, когда в потоке все про­ странство заполнено жидкостью. Иначе говоря, изучаются потоки жидкости для условия с п л о ш н о с т и , которое выражается в том, что линейные размеры области течения велики по сравнению с амплитудой колебания молекул. Из последнего условия опреде­ ляется понятие э л е м е н т а р н о г о о б ъ е м а жидкости. Ли­ нейные размеры элементарного объема должны быть достаточно большими по сравнению с амплитудой колебания молекул в жидкости и достаточно малыми по сравнению с линейными размерами потока (диаметром трубы, поперечными размерами лотка и др.).

ной струйки). В инженерном деле эти законы с различной степенью

относительно другого требуется приложить некоторую конечную

5

называются н ь ю т о н о в с к и м и жидкостями. Вода — основ­ ной носитель энергии в гидромеханизации — является типично ньютоновской жидкостью.

В смеси с диспергированными твердыми (в т. ч. растворимыми частицами) вода при определенных условиях (насыщениях, темпера­ туре и пр.) дает гидросмеси, обладающие р е о л о г и ч е с к и м и свойствами. Последние проявляются в том, что такие гидросмеси обладают внутренним трением между слоями, намного большим, чем в однородной жидкости (воде), а также начальным сопротивле­ нием сдвигу слоев относительно друг друга.

нородных потоков или смесей с твердыми частицами относится к осо­ бому разделу механики жидкостей, в котором рассматриваются задачи техники. Этот раздел называют т е х н и ч е с к о й г и д р о ­

ме х а н и к о й .

Пл о т н о с т ь жидкости или гидросмеси характеризует рас­ пределение массы вещества в пространстве, сплошь занятого потоком (для смесей — жидкостью и частицами). Среднее значение плот­

Для характеристики распределения массы в пространстве ис­ пользуют величину, обратную плотности, называемую удельным объемом (воды, раствора, гидросмеси), v = 1/р. В задачах гидромеха­ низации пользуются величиной удельного веса, определяемого ве­ сом (силой тяжести) единицы объема вещества, равного

Размерностью удельного веса в международной системе единиц СИ служит ньютон на кубический метр (Н/м3). Поскольку размер­

соответственно кгс/м3 и м3/кгс. В старой технической системе единиц

= 1150-1500 кГ/м 3.

Законы переноса при изучении потоков жидкостей обычно рас­ сматриваются для трех величин: векторной для количества движе­ ния и двух скалярных для переноса тепла и количества вещества.

Явления переноса возникают в потоке жидкости вследствие

6

наличия в разных точках потока неоднородности в распределении скорости, температуры и концентрации вещества. В задачах гидро­ механизации температурный фактор не имеет (кроме зимних условий применения) первостепенного значения.

Неоднородность распределения скоростей в поперечном сечении потока обусловливается тем, что в любом элементарном объеме жидкости по его поверхности действуют касательные и нормальные силы различной величины. Первые возникают вследствие наличия внутреннего трения (или вязкости). По закону Ньютона для однород­ ной жидкости касательное напряжение трения т между двумя слоями в прямолинейном потоке вязкой жидкости пропорционально измене­ нию скорости и, отнесенному к единице длины Z, по нормали к на­ правлению движения, т. е.

гС • М

Величина р не зависит от давления и характера движения, а определяется лишь физическими свойствами жидкости и ее тем­

взаимодействия. Показатели коэффициентов псевдовязкости пре­ восходят в десятки и даже сотни раз приведенные значения р и v.

В физике, аналогично закону Ньютона, известны законы Фика

где qs и q — количества вещества и тепла, переносимые через единицу площади в единицу времени; [q\ = Dm/м2-с = Вт/м2;

s и Т — концентрация вещества и температура;

7

е п а — коэффициенты диффузии и теплопроводности ( [а1 =

=Вт/м-град).

Всоответствии с уравнением (1.3) закон переноса вещества формулируется так: количество вещества, переносимого через еди­ ницу площади в единицу времени, пропорционально градиенту кон­ центрации этого вещества в потоке. В системе СИ размерность [ps] =

ратуры. Процессы переноса существенно зависят от структуры потока. Применительно к гидросмесям эти законы в первом прибли­ жении приемлемы для мелких и очень мелких частиц, участвующих

впроцессах переноса (иначе диффузии).

§2. ПОНЯТИЯ II ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗ ГИДРАВЛИКИ

Вгидравлике рассматривается одномерное движение жидкости, при котором скорость, давление, плотность и другие параметры за­ висят от одной координаты, направление которой совпадает с на­ правлениемвектора скорости. Такое движение лишь приближенно

отвечает действительным условиям течения жидкости в трубах, каналах и элементах проточной,части машин. Характеризуется оно некоторой средней по сечению скоростью. При этом, если параметры

Основными уравнениями движения несжимаемых жидкостей, ха­

нулли). Эти уравнения получены для некоторых малых объемов по­

двумя произвольными линиями тока количество протекающей жид­ кости постоянно. Это означает, что в местах сужения трубки тока скорость движения жидкости увеличивается, а в местах расшире­

для нестационарного — не совпадают.

Для трубки тока масса, а при постоянной плотности и объемный

8

т. е. скорость в поперечном сечении трубки тока обратно пропор­ циональна площади поперечного сечения F. Для расхода Q = puF [кг/с] или

Если прологарифмировать равенство (Г.5), а затем продиффе­ ренцировать его по координате х, получим

трубки тока и распространяя приближенно данное уравнение на

движения произойдет лишь за счет потерь количества движения между сечениями 1—1 и V —1' и увеличения его между сечени­ ями 2—2 и 2'—2'.

Значит изменение вектора количества движения за время dt

Тогда в соответствии с теоремой об изменении количества дви­ жения, учитывая равенство рF ри,х = рF zuz — т, получим урав­ нение для результирующей внешней силы R (равной главному вектору, отнесенному ко времени dt)

m(u1 — u2) = R. „ (1.6)

Уравнение (1.6) приближенно можно распространить на одно­ мерный поток, движущийся со средней скоростью. По этому урав­ нению следует, что все изменения в потоке определяются переносом количества движения через рассматриваемые сечения.

У р а в н е н и е с о х р а н е н и я э н е р г и и (или уравне­ ние Бернулли) для трубки тока можно получить для схемы рис. 1,

9