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

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

массивов, а тонкие струи — для создания щелевых отверстий (зарубных щелей) для ослабления прочности породы или угля в пре­ делах забоя.

§ 2. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СТРУЙ

Гидравлические струи по всей длине до места контакта с породным целиком характеризуются движущимся потоком, плотность которого во много раз выше плотности воздушной среды. Вследствие этого

затопленными. Отсутствие твердых границ определяет сущест­ венные особенности движения струй и их структуру.

Отвлекаясь от характерных значений параметров, особенностей поперечных сечений струй и размеров их отдельных зон, любую гидравлическую струю (см. рис. 11) можно разделить по длине на три участка. Первый участок — компактная струя практически с постоянным поперечным сечением. Второй участок — часть струи, еще имеющая нлотное ядро в виде жидкости, по с поверхностными слоями, насыщеипымп воздухом. На этом участке струя имеет конусообразную форму (сечения II и III, см. рис. И ) с изменяющимся

ный участок с постоянным сечением составляет всегда небольшую часть гидравлической струи (см. рис. 11). Основной части струи соответствует большая часть ее по длине.

Для разрушения (или размыва) целика породы целесообразнее

из-за близости насадки к забою разрушение целика на первом участке часто вести невозможно. Поэтому чаще всего на гидромеханизиро­ ванных работах используется в т о р о й у ч а с т о к , т. е. ту часть, которая характеризуется наличием еще плотного ядра струи.

Основная часть струи (третий участок) для разрушения (и раз­ мыва) непригодна. В гидромеханизированных работах этот участок гидравлических (обычно гидромониторных) струй используется для смыва разрушенных или несвязных пород (песка, угля и т. п.).

Все виды гидравлических струй имеют единую физическую природу, однако по мере повышения напора и уменьшения диаметра насадки происходит существенное изменение их структурных эле­ ментов по схеме рис. 11. Струя до полного распада может суще­ ствовать в зависимости от Н 0 и d 0 на малых и даже ничтожных рас­ стояниях. Поэтому рассмотрим основные параметры на примере гидромониторных струй.

52

Как следует из формулы (III.3), основные параметры гидра­ влической струи при ее формировании в насадке определяются начальными условиями и связаны одной функциональной зависи­

поверхности ее поперечного сечения. Удельное давление струи

метр в значительной степени определяет эффективность разруше­ ния и тесно связан с величиной удельного давления струп, обычно

•более трудно определяемой в экспериментах.

Опытные данные по изменению структуры гидравлических струй удобнее демонстрировать фотографиями на примере струй м а л ы х д и а м е т р о в и в ы с о к и х д а в л е н и й . На рис. 12 при­ ведена фотография струи, полученная в ИГД им. А. А. Скочинского, при освещении ее импульсной лампой (длительность вспышки 1,5 мкс, при н0 = 150 м /с и напорах Я 0 = 125—1000 м вод. ст.).

Как следует из рисунка, на некотором расстоянии от насадки струя начинает распадаться на отдельные объемы жидкости. Значи­ тельное количество капель возникает в результате распыления

.этих объемов на значительно больших, чем£/<30 — 270, расстояниях ■от сечения насадки. Сплошная часть струи поддерживается на больших расстояниях при повышении начального напора.

Процесс аэрирования струи и ее расширения протекает несколько менее интенсивно при одних и тех же l/d0 по сравнению со струями

•большого диаметра вследствие гораздо меньшей поверхности струп,

.взаимодействующей с воздухом, и высоких скоростей.

-54

§3. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СТРУН

ВБЕЗРАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРАХ

Для решения инженерных задач, связанных с расчетом гидра­ влических струй, необходимо располагать аналитическими соотно­ шениями между основными параметрами вдоль струи. Их можно получить, исследуя зависимость осевого и удельного динамического давлений от различных факторов.

Ввиду сложности математического решения воспользуемся ме­ тодом размерностей. Согласно я-теореме (см. § 3, гл. I) осевое дина­ мическое давление вдоль струи определяется следующими незави­ симыми физическими величинами:

о — коэффициент поверхностного натяжения, Н -м /м 2; р' и р.' — соот­ ветственно плотность и динамический коэффициент вязкости окружающей струи среды (для р, размерность Н -с/м 2); g — нормаль­ ное ускорение свободного падения.

Заметим, что величина о характеризует работу, затрачиваемую на изменение поверхности границы раздела фаз (жидкости и воз­

(см. гл. I, § 3), то числа Эйлера и Фруда из рассмотрения исключаем. Число Вебера для каждого поперечного сечения струи имеет, как этоочевидно, отличное значение и практически может быть определенодля выходного сечения насадки. Таким образом, из доступных для расчетов безразмерных параметров наибольший интерес предста­ вляет упрощенная зависимость (III.4) в виде:

Pm/P0 = f ( l/do). ^ Н е ­

которую следует получить из опыта при различных условиях форми­ рования струй. Эти начальные условия в гидродинамическом отно­ шении определяются числами Re и W для выходного сечения насадки..

55ь

Для установления зависимости (III. 5) в ИГД им. А. А. Скочин- -ского проведены многочисленные измерения для различных гидра­ влических струй. На рис. 13 приведены данные измерений для ■тонких струй в виде графика р,„/р0 = / (l/d0) в логарифмических координатах. Зависимость характеризуется ломаной прямой в соот­ ветствии с особенностями структуры струи на трех участках (см. рис. 11). Отрезок прямой, параллельной оси абсцисс, характеризует первый участок струи — с постоянным поперечным сечением, в пре­ делах которого осевые динамические давления постоянны и равны

.давлению р 0. Длина этого участка около 80 clQ.

Тис. 13. График зависимости Рщ/Ро от l/d0 для условий р 0 = (20— 150)105 Н/м3:

1—3 — соответственно прп Э0 = 3,5 -Н 3,0; 2,2 н 1,9 -т- 1,5 мм

Отрезок прямой со значениями (80—300) c l0 характеризует второй участок струи, в пределах которого сохраняется плотное ядро жидкости. На этом участке осевое динамическое давлеиие медленно {в направлении от насадки) уменьшается по гиперболической зави­ симости. На этом участке струя еще не разрушена, но вследствие трения ее поверхности с окружающей средой осевая скорость полета струи, а следовательно, и величина рт уменьшаются.

Отрезок прямой для значений >300 d0 характеризует третий участок гидравлической струи, на котором осевые динамические давления с увеличением расстояния от насадки резко уменьшаются.

Из графика рис. 13 для функции (III. 5) следует уравнение вида:

где т — безразмерный коэффициент, характеризующий для задан­ ных начальных условий т — / (Re, We) относительную длину участка струи с постоянным поперечным сечением; п — показатель степени, определяющий интенсивность распада струи.

56

Для струй большого диаметра, имеющих значительную длину (десятки метров), среднее удельное давление определяют по значе­ нию рт\

. ложении, что скорости в поперечном сечении струи распреде­ ляются по кривой вероятности Гаусса. В первом приближении,

где р — динамическое давление в точке поперечного сечения струи, удаленной от оси на расстояние R , Н /м 2; рт — динамическое давле­ ние на оси в данном сечении; R 0 — радиус насадки, см; =

— f(]/d0) — безразмерный коэффициент, характеризующий влияние расстояния на структуру струи; ai «=; 10~3 {l/д0)liB.

Использование формулы (111.11) предполагает наличие равно­ мерной по структуре среды вдоль струи.

При определении средних удельных динамических давлений, а также выборе наиболее рациональных расстояний от груди забоя

.до насадки монитора полезно знать величину д и а м е т р а г и д ­ р а в л и ч е с к о й с т р у и .

Увеличение диаметра струи вдоль ее длины, как уже отмечалось, является следствием аэрирования (проникновения воздуха на кон­ такте жидкость — воздух), а также действия силы тяжести, спо­

5 8

собствующей разрыву сплошности струи. Этот процесс характерен для второго и третьего участков струи, на которых постепенно- (с удалением от насадки) и изменяется ее структура. При этом спо­ собность воздействия струи па забой определяется степенью рас­ средоточения массы жидкости в поперечном сечении.

Условно площадь поперечного сечения воздействующей массы жидкости на расстоянии I от насадки можно представить разностью:

Если в первом приближении допустить правомерность использо­ вания (III.3) для любого сечеиия при д 1, то соотношение (III.13} можно переписать так:

Влияние на коэффициент Hij различных факторов можно уста­ новить на основе проведенных в ИГД им. А. А. Скочинского экспери­ ментальных исследований со струями различного вида. Поскольку с увеличением расстояния от насадки повышается аэрация струи,, то коэффициент thj уменьшается. При этом определяющее значении

и разрушение (или размыв) горных пород определяются силой удара, которая в пределах выходного сечения насадки эквивалентна

59>