![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие
.pdfкальных. При определении диаметра |
труб в общем случае должно |
выполняться условие D/dm&%= 2,5—3. |
|
Для г и д р о п о д ъ е м н ы х |
у с т а н о в о к , в которых |
основным по протяженности является вертикальный участок трубо провода, выбранный режим работы по значению основных параметров может быть существенно отличным, чем для установок с основным
горизонтальным участком (вследствие меньших потребных |
скоро |
|
стей, чем для горизонтальных труб). |
з а |
|
Расчетная схема для режима работы с ч а с т и ч н ы м |
||
и л е н и е м |
следующая: |
|
1 ) устанавливается насыщение (концентрация) гидросмеси в соот |
||
ветствии с |
требованиями технологии; |
|
2 ) определяется критическая скорость и диаметр труб для незаи-
ленного режима, а также |
критический |
уклон; |
и |
диаметр |
труб |
|||||
3) |
задается |
степень высоты слоя |
заиления |
|||||||
с заилением |
(причем |
< Z ) 2). |
По |
опыту |
эксплуатации и |
|||||
на основе наблюдений рекомендуется высоту |
слоя |
брать в пре |
||||||||
делах |
не более |
10—15% |
от внутреннего диаметра, при |
этом |
||||||
размер |
наиболее |
крупной |
фракции |
должен |
быть |
менее |
(1/5— |
1/10 D)\
4) сопоставляются скорости, вычисленные для режима с заиле нием и по заданному расходу гидросмеси; если они не совпадают, задается другой диаметр труб;
5) определяется уклон для режима с заилением в трубе D г\
6 ) сопоставляются вычисленные значения потерь напора (если, они равны или достаточно близки для труб обоих диаметров, то это значит, что режим работы с частичным заилением установлен правильно); если потери намного больше, чем при критическом режиме
внезаиленных трубах, то нужно уменьшить высоту слоя заиления
иповторить расчет.
Р а с ч е т п а р а м е т р о в с а м о т е ч н о г о г и д р а в л и ч е с к о г о т р а н с п о р т а также ведется в зависимости от производительности установки и характеристики горной массы. Для определения рабочей скорости и потребного уклона должны быть выбраны поперечные размеры желоба.
При перемещении тонкодисперсных гидросмесей, по аналогии
с чистой водой, можно |
принимать наивыгоднейшим |
отношение |
b/h — 2 (где Ъ— ширина |
лотка по дну; h — глубина |
лотка); для |
грубодисперсных гидросмесей наиболее экономично b/h = 3 —4. Вы сота наполнения желобов обычно примерно соответствует глубине, а для кусковых материалов составляет не менее 2/3 поперечного размера максимального куска.
Приближенные расчеты лотков (обычно с гладкими металли ческими или деревянными стенками) можно производить по соот ветствующим (для данного вида смеси) формулам(для икр и i, зада
ваясь для тонкодисперсных |
шириной лотка |
b = |
1,25 D и высотой |
|
h0 = 1,2 D ; для более крупных материалов |
b = |
1,5Z> и h0 = |
1,2D. |
|
Трапецеидальная j форма |
лотков оказалась практически |
наибо |
110
лее удобной (и близка к гидравлически наивыгодиейшей). Осталь ные размеры устанавливаются с учетом конструктивных требо ваний.
Для случая транспортирования угля в смеси с породой или других полиминеральных смесей расчеты рекомендуется вести по средневзвешенной плотности (удельному весу).
Для установок с трубами большого диаметра и значительной протяженности выполняется также технико-экономический расчет оптимальной системы (с просчетом многих вариантов). При этом оптимальной считается транспортная система, у которой величина приведенных годовых затрат окажется наименьшей; скорости потока для магистральных систем уточняются этими расчетами.
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
нечников |
и, следовательно, при снижении |
уменьшается интен |
сивность |
размыва породы. |
|
Для обеспечения непрерывности процесса всасывания должно
всегда |
поддерживаться некоторое п р е д е л ь н о е р а с с т о я |
н и е |
между входной плоскостью всасывающего наконечника и по |
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
мальная |
скорость |
ивс равна |
р а з м ы в а ю щ е й |
с к о р о с т и |
Up. Этот |
параметр |
аналогично |
скорости трогания |
и 0 зависит от |
вида породы, степени ее естественного уплотнения в слое (прибли
зительно |
Up |
(2—3) и 0. |
Например, |
для |
разнозернистых песков |
|
Up = 1—2 м/с, |
для гравия и гальки ир = |
2—2,5 |
м/с. |
|||
Важным параметром |
процесса гидравлического |
всасывания яв |
||||
ляется |
в ы с о т а в с а с ы в а н и я |
Нвс гидротранспортной уста |
новки, выражаемая расстоянием по вертикали от уровня свободной поверхности жидкости до места установки насоса или гидроэлеватора.
8 Заказ 545 |
113 |
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
1 —труба; 2 —наконечник; з —днищеустройства; 4 —патрубоксрешеткой; 5 —рычаг |
||
шибера; 6 —всасывающаятруба; 7—фундамент; з —дробилка; 9 —резервноеотделение; |
||
10 —насосдлягидросмеси |
|
|
в ы с о т о й в с а с ы в а н и я |
Я вв, выражаемой в м |
вод. ст. |
(или гидросмеси), т. е. |
|
|
Ны = (Рв,— Р)1Чо, м вод. ст., |
(V.1 ) |
|
где ра — атмосферное давление, |
Н/м2; р — абсолютное |
давление |
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 В = / (^ В С > |
DBZ1 Я вс). |
{Ч. 2 ) |
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.
8* |
115 |
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
величину |
р а с х о д а п о |
п е р и м е т р у . |
|
|
|
q = Q jl, м2/с, |
|
||
где Qs и |
I — соответственно |
расход и периметр входного отверстия |
||
наконечника. |
|
|
|
|
Значение q зависит от удельного расхода и размывающей ско |
||||
рости. При этом концентрация гидросмеси в потоке |
s — f(q, h, |
|||
|
|
ип и d), где h — высота заглубле |
||
|
|
ния |
всасывающего |
наконечника |
|
|
(;ип — скорость подачи). Для дан |
||
|
|
ного размера входного отверстия/? |
||
|
|
наконечника, как показывает опыт, |
||
|
|
при заглублении его около (3—4) D |
||
|
|
при |
соответствующих |
q и ип до |
|
|
|
стигается максимальное значение s. |
|||
|
|
|
Существует предельное |
значе |
||
|
|
|
ние цп, выше которого режим |
|||
Рпс. 34. Землесос со всасывающей |
|
всасывания |
становится |
неустой |
||
|
чивым, причем для гравия |
и песка |
||||
трубой из резинового шланга: |
|
оно разное. |
|
|
|
|
1 —насосдлягидросмеси; г —приемник; |
Гидравлические потери на вход |
|||||
3 |
—шланг; 4 —блок; 5—патрубок |
|
||||
|
Кх = l BA y / 2 g y 0, |
|
|
(У.З) |
||
где |
Е « й 2—7 — коэффициент |
сопротивления, |
зависящий |
от |
ско |
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
Конфигурация поперечного сечения наконечника существенно влияет на формирование скоростного поля. Так, у наконечника эллиптической формы сечения зона всасывания больше, чем у прямо угольного, а следовательно, размеры воронки будут увеличены.
§ 3. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ДЛЯ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Для увеличения интенсивности всасывания (повышения размеров воронки всасывания) важное значение имеет общий баланс гидравли ческих потерь в зоне всасывания и во всасывающей трубе, который должен выражаться наименьшими затратами энергии.
Применительно к схеме рис. 31 выполним теоретический анализ, используя уравнение Бернулли (1.8) к сечению I —I. Вакуумметрическая высота всасывания, или иначе вакуум во всасывающей трубе, выраженный по (V.1 ) в виде разности давления между атмосферным и в сечении I —I, можно представить следующим балансом энергии положения:
(рй — P)/Y = #Bc + 2 ^ + “ !c/2g+.fl'nr, м. ст. гидросмеси, |
(V.4) |
||||
где h — суммарные "потери |
напора на |
преодоление |
|||
сопротивлений движению; |
I —I; |
|
|||
ulc/2g — динамический напор |
в |
сечении |
|
||
Нйт=Нпг — 1^ — — статический |
напор |
во |
всасывающей |
трубе |
|
на высоте |
погружения |
Н „г за счет разницы |
|||
столба (у — у о). |
|
|
|
|
Уравнение (V.4) является основным уравнением для всасыва ющей способности гидротранспортной установки. Из него можно получить важные соотношения для параметров, определяющих всасывающую способность. Так, если из (V.4) определить высоту
всасывания, |
то (умножая все члены уравнения на у /у 0) получим |
(в м вод. |
ст). |
( Р а — Р) |
ивс |
У_ |
(V.5) |
|
Y0 |
2g |
уо |
||
|
Из приведенного равенства следует, что возможная высота вса сывания всегда меньше атмосферного давления (т. е. < 1 0 м вод. ст.); всегда меньше высоты всасывания при работе установки на чистой воде, и уменьшается с увеличением гидравлических сопротивлений в зоне всасывания и во всасывающей трубе, с повышением скорости движения гидросмеси в зоне всасывания и концентрации (или у) гидросмеси.
Выразим второй член равенства (V.5) через определяющие его элементы гидравлических потерь. Как уже отмечалось, они свя заны с преодолением: 1 ) сил сцепления частиц горной породы и сил сопротивления при входе гидросмеси в устье наконечника (опре деляются вместе); 2 ) сил сопротивления при движении гидросмеси вдоль всасывающей трубы (путевые потери), примерно равные
Л7
путевым потерям при работе на воде и увеличенные на у , и 3) сил сопротивления при входе гидросмеси в рабочее колесо. Тогда соот ветственно сумма гидравлических потерь моясет быть определена так:
|
2 й =(£вх + У w£cY/2gYo + M', м вод. |
ст., |
(V.6) |
|||
где £вх и |
§к — коэффициенты |
сопротивления, |
определяемые из |
|||
Таким |
(V.3) |
и равенства |
|к л*1. |
|
приве |
|
образом, из |
(V.5) и |
(V.6 ) |
следует подтверждение |
денной выше зависимости (V.2). В свою очередь, анализируя далее равенство (V.5), убеждаемся, что, резкое повышение величин у (например, снижением уровня воды) или длины всасывающей трубы при прочих равных условиях могут привести к уменьшению давле ния р в сечении I —I. Если это давление снизится до величины, равной давлению насыщения паров воды при данной температуре, жидкость закипит и произойдет разрыв сплошности потока или, как говорят, с р ы в в а к у у м а .
Поэтому для нормальной работы установки по всасыванию необ ходимо, чтобы давление во всасывающем трубопроводе всегда было выше давления паров перекачиваемой воды при соответствующей температуре.
Как отмечалось ранее (см. гл. I), кавитационные явления свя заны с образованием в воде при пониженном давлении пузырьков пара и газа. Вследствие этого возникает перемещение газовой среды вместе с водой в область повышенных давлений, где пары конденси руются. Частицы воды с очень большими скоростями устремляются в образовавшиеся пустоты, а это вызывает удары о поверхность деталей насосов и приводит к разрушению их. В гидротранспорт ных установках такое явление наступает обычно после достижения высоты Нвс, скорости ивс и концентрации гидросмеси (или у) — зна чений, нарушающих равенство (V.5). Таким образом, для каждого конкретного случая можно определить предельные значения ука занных параметров по условиям стабильного от нарушения процесса
гидравлического всасывания.' |
|
|
/f BC, |
при |
|
Предельное (т. е. наибольшее) значение величины |
|||||
котором наступают кавитационные |
явления, |
можно |
определить |
||
из (V.5), если положить р = |
р п = 0,2—0,25 м вод. ст. (т. е. давле |
||||
ние паров воды, выраженное в м вод. ст.). По этому значению |
# вс |
||||
можно оценивать для данных условий (при заданных значениях |
нпс, |
||||
Y или s и конструктивных |
размерах |
всасывающего устройства I |
|||
и D) в с а с ы в а ю щ у ю |
с п о с о б н о с т ь |
у с т а н о в к и |
в отношении геодезической высоты подачи гидросмеси из подводного забоя или приемника (зумпфа).
Аналогично можно определить всасывающую способность уста новки для заданных условий в отношении максимального значения концентрации s или у. Так, если обозначить: Н'вв = (ра — рп)/у — критический вакуум, Нтр — потери напора на трение и Нл — дина-
•118
![](/html/65386/283/html_dkVz5vt4xg.sL8u/htmlconvd-cxzibG120x1.jpg)