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

динамическому давлению. По мере удаления от насадки сила удара, определяемая как среднее динамическое давление в пределах пло­ щади поперечного сечения струи, уменьшается. В соответствии ■с изменением удельного динамического давления наибольшие зна­

я при воздействии струи на плоскую преграду, расположенную наклонно к оси,

нием скорости истечения струи из насадки п размера выходного отверстия сила воздействия струи о преграду возрастает.

Сила воздействия струи иа преграду с изменением расстояния от выходного конца насадки не остается постоянной. Вследствие трения внешних границ струп о воздушную среду и действия силы тяжести происходит уменьшение средней скорости движения струи и рассеивание (вплоть до распада) ее плотной среды. Чем ближе преграда к выходному отверстию насадки, тем сила воздействия приближается к величине, определяемой по формуле (III.17). Су­ щественное значение имеют и начальные условия формирования гидравлической струи, а также отражение ее от преграды.

При использовании гидравлических струй для разрушения и размыва горных пород приходится иметь дело с более сложным очертанием преграды — поверхностью целика. В этих условиях отражающаяся часть струи еще более осложняет механизм разру­

прочностных характеристик горных пород в целике или в насыпном состоянии. В зависимости от этого фактора, а также технологии ведения работ и принимаются вид воздействия параметры гидра­ влической струи.

Практика показывает, что каждой гидравлической струе по классификации (см. § 1) соответствует особый вид воздействия на целик и определенная специфика гидравлического разрушения

(или мало связных) рыхлых горных пород в целике иа открытых разработках. Порода в этом случае разрушается в результате воз­

6 0

действия (удара) струи. При растекании воды по поверхности целика и в трещинах происходит размокание, нарушение связности и отрыв частиц. С повышением связности (плотности) рыхлой породы она становится трудноразмываемой. В этом случае требуется предва­ рительное перед размывом рыхление породы.

Гидравлическими с т р у я м и с р е д н и х д и а м е т р о в

виях. В этом случае разрушение целика происходит за счет воздей­ ствия, аналогичного струе большого диаметра.

с предварительным рыхлением, так и гидроотбойку (на слабых углях). В этом случае первоначально в забое создается зарубная щель, а затем от этой щели ведется отбойка слоя угля. В дальней­ шем эти операции повторяются (рис. 16, а).

Гидравлическими с т р у я м и м а л ы х д и а м е т р о в и в ы с о к и х и с в е р х в ы с о к и х д а в л е н и й производят резание угля или горной породы при комбинированных (обычно механо-гидравлических или гидровзрывных) способах проходки нарезных или подготовительных выработок. При воздействии таких струй в целике образуются щели определенной глубины, а расчле­

рый определяет общую сопротивляемость пород воздействию внеш­ ней нагрузки. По классификации М. М. Протодьяконова, описан­ ной ранее, коэффициент крепости пропорционален временному сопротивлению образца горных пород одноосному сжатию.

Горные породы, разрабатываемые в целике или с предваритель­ ным разрушением гидравлическими струями большого диаметра,

61

в карьерах обычно имеют коэффициент крепости / = 0,5—2; струями средних диаметров в подземных выработках — f — 1—3; тонкими струями высоких давлений — / = 1—4 и струями сверхвысоких давлений — f — 4—12.

Поскольку все горные породы состоят из отдельных минераль­ ных зерен различной крупности, то содержание различных фрак­ ций (или классов) частиц в горной породе в определенной степени может характеризовать ее с точки зрения разрушаемости гидравли­

струей зависит также от внутреннего трения между отдельными частицами и взаимного их сцепления. В несвязных породах (напри­ мер, песках) взаимное сцепление очень мало, и сопротивление воз­ действию струи вызывается только трением между частицами. В глинистых породах проявляется взаимное сцепление, а в осадоч­ ных коренных породах — цементация, вследствие чего резко воз­ растает сопротивление воздействию струй на целик.

На внутреннее трение и сцепление частиц в значительной сте­ пени влияет влажность. породы. Например, по мере изменения

в песчаных породах повышает силы сцепления между отдельными минеральными зернами. С учетом отмеченных выше факторов на практике применяют классификацию пород россыпей, приведенную с сокращениями и дополнениями в табл. 6.

Близкой к приведенной, но имеющей регламентацию содержания отдельных фракций пород, является классификация, применяемая на карьерах угольной, горнорудной и других отраслей.

При рассмотрении табл. 6 следует, что классы пород от I до V различаются по степени трудности размыва (разрушения) целика породы. Если для I класса принять условно коэффициент трудо­ емкости (т. е. степени трудности) гидравлического разрушения за единицу, то соответственно по классам этот коэффициент примет

изводства меняются в широких пределах, для характеристики разрушаемости породы гидравлическими струями используют соот­ ношения между давлением струи на контакте с забоем и пределом прочности разрушаемой породы (в целике или образце) при одно­ осном сжатии.

Опытным путем установлено, что разрушение породы начинается

62

в^тот момент, когда давление струи в контакте с разрушаемым це­ ликом составляет:

* НанОольшнс значения удельных расходов, принимаемых при высоте забоя до 5 м.

При дальнейшем увеличении рк по (III.18) производительность гидроотбойки (иначе количество разрушаемой породы в единицу времени П, т/ч) возрастает. Показателем прочности породы для

63

и h (v) при заданной ширине выемки в широком диапазоне изменения скорости перемещения струи по забою. Как следует из графика, при увеличении скорости перемещения струи относительно забоя глубина щели резко уменьшается, а производительность гидроотбойки растет в прямой пропорциональности.

При рассмотрении графика рис. 17 следует учитывать, что он получен по параметру П не по процессу образования выемки (щели), а по общему эффекту гидроотбойки для забоя. Он в значительной

ниях применяются для нарезки щелей в целике (при последующем обрушении подрезанных блоков), то, как отмечалось выше, скорость подвигания струи по забою резко повышается (до 3 м/с) при дости­ жении глубины щелей до 4—5 см и ширины до 4 см. С применением тонких струй и сверхвысоких давлений ведутся экспериментальные работы и по комбинированному гидромеханическому разрушению в подземных условиях целиков из коренных осадочных горных пород. Такой способ разрушения забоя выработок как по углю, так и по породам пока не вышел из стадии экспериментального изучения и опытной проверки. Вместе с тем гидродолота с высокими

жено определение их основных гидродинамических параметров для заданных условий ведения работ по гидравлическому разрушению*

Такие расчеты ведутся с последовательными приближениями. Задают: расстояние монитора от забоя, диаметр насадки и давле­

ние (напор) воды на выходе. Порядок расчета:

1. Определяется скорость истечения из насадки по формуле (III.3) и число Рейнольдса (для струй большого диаметра) или число Вебера (для тонких струй).

2. Вычисляется осевое динамическое давление гидравлической струи на заданном расстоянии от монитора в зависимости от вида струй по формулам (III.6) и (III.7) или (III.6) и (III.8).

3. Определяется удельное динамическое давление струи на заданном расстоянии от насадки по формуле (III. 9) или формулам

(III.9) и (III.10) — для тонких струй.

4.Рассчитывается теоретическая сила удара о плоскую преграду по формуле (III. 17) при а = 90° в начальном сечении струи.

5.Вычисляется диаметр гидравлической струи на заданном

расстоянии от насадки в зависимости от вида струи по формулам

(III. 14) и (III. 15) или (III.14) и (III. 16).

6.Определяется сила удара струи о преграду па заданном рас­ стоянии от насадки умножением удельного динамического давления на поперечное сечение струи.

7.Сравниваются теоретическая и действительная расчетные силы удара для оценки заданных условий работы. При гидроотбойке, помимо сравнения сил удара, целесообразно сопоставить значение удельного динамического давления с рекомендациями (III.18).

Сопоставлением заданных условий и расчетных параметров

струй с лучшими показателями, достигнутыми на практике, назна­ чаются новые исходные данные. Расчеты повторяются, в процессе чего достигается выбор наиболее обоснованных параметров.

При р а с ч е т е м о н и т о р о в (т. е. направляющих и форми­ рующих струю устройств) определяется производительность, обосно­ вываются удельный расход воды и начальное давление, а также количество мониторов (в схемах гидромеханизации такие устройства называют гидромониторами).

Производительность монитора при гидравлической разработке

изводительности монитора от расхода воды через насадку. При прочих равных условиях производительность повышается с умень­ шением удельного расхода воды.

Если в соотношении (III.20) величину расхода выразить через

66

где H q — напор воды, м (диаметр насадки d 0 берется также в м), т. е. производительность монитора для заданных условий производ­ ства (значений q) определяется диаметром насадки и начальным напором воды.

Формула (III.21) применима для всех видов гидравлических струй. При этом под удельным расходом воды понимается: для гидромониторных струй (большого диаметра) — расход воды па единицу объема размытой (обрушенной) породы или отбитого (раз­ рушенного) угля и т. и., а для тонких струй расход воды на единицу объема обрушенного струей целика или выработанных щелей. Заметим, что ориентировочные значения удельных расходов воды для условий открытой разработки можно принимать в соответствии с данными табл. 6; для различных условий гидроотбойки угля и рыхлых пород в пределах q = 3—15 м3/м 3, а для условий разруше­

при сверхвысоких давлениях в пределах р0= (500— 2000) - 105 Н/м2

ния струи в подводящих каналах монитора, т. е. особенностями гидродинамических процессов движения жидкости в каналах и исте­ чения из насадки; 2) выбранной системы работ и параметров гидравли­ ческих струй; 3) физико-механических свойств горных пород в целике.

Отмеченные условия соответственно характеризуются требова­ ниями: формирования наиболее компактной струи (применения мониторов с определенными конструктивными элементами), выбора оптимальных параметров струи и наиболее рациональной органи­ зации работ (гидродинамических давлений на контакте с целиком, диаметра струи, расстояний насадки от груди забоя и др.) и проч­ ностных свойств горных пород (правильного определения их кате­ гории по гидравлическому разрушению).

Анализ влияния отмеченных факторов на производительность монитора по данным опыта и экспериментальных исследований показывает, что теоретическая формула (III.21) часто не дает удовлетворительной сходимости с опытными данными. Это объясня­ ется тем, что между диаметром насадки, давлением на выходе, удель­ ным расходом воды для разных категорий пород существуют различ­ ные зависимости (например, с увеличением dBобычно повышается q и др.), на которые существенно влияет и расстояние от насадки до груди забоя.

Поэтому расчеты по формуле (III.21) нуждаются в уточненииг по опытным данным: об удельных расходах воды, диапазоне потреб­ ных значений удельпых давлений струи и оптимальных расстояниях

67

насадки от забоя (для основных категорий горных пород). Например, в дополнение к приведенным ранее практическим сведениям о пара­

расстояние насадки монитора от груди забоя с учетом Правил безопасности (ПБ) не должно быть менее 1,2 высоты уступа для глинистых пород, 1,0 — для суглинистых и 0,8 — для песчаных; удельные давления на контакте с забоем в соответствии с кате­ гориями горных пород по табл. 6 для эффективного ведения про­

ности гидравлической разработки принимается за расчетную средне­ взвешенное значение параметров;

различные осложняющие гидравлическую разработку условия, например наличие особо плотных прослойков пород на уровне основания уступа (гидравлической «подрезки» или вруба) или валу­ нов (камней); производительность монитора уменьшается на 15—

среднего диаметра приведем следующие дополнительные опытные данные:

расстояние дистанционно управляемого монитора от груди забоя с учетом достижения наибольшей эффективности процесса отбойки (второй участок струи) должно составлять 3—5 м;

удельные давления на контакте с забоем при разрушении (обычно ослабленных горным давлением) угольных (антрацитовых или сла­ бых породных) целиков для обеспечения эффективного разрушения должны иметь порядок соответственно (8—12 и 15—20) •10в Н /м 2; различные осложняющие гидроотбойку условия, например, нали­ чие в угольном целике породных прослоев или включений крепких (вязких) пачек угля, особенно у почвы пласта, преодолеваются применением различных средств предварительного ослабления уголь­ ного (или породного) целика — взрывным способом, нагнетанием в пласт воды и др.; в каждом конкретном случае при расчете про­ изводительности монитора опытным путем устанавливается потреб­ ный удельный расход воды на гидроотбойку, а также уточняется

величина удельного давления.

Применяемые в опытном порядке для резания угля и пород т о н к и е с т р у и в ы с о к о г о и с в е р х в ы с о к о г о д а в ­ л е н и я характеризуются следующими дополнительными экспери­ ментальными данными:

расстояния монитора от груди забоя соответственно 0,5—2 м и 0,25—1,0 м (а при особо высоких давлениях — в пределах несколь­ ких сантиметров);

удельные давления на контакте с забоем (в щели) для эффектив­

68

ного .ведения процесса соответственно должны составлять от (30—

при расветах производительности мониторов следует увитывать, вто применение струй высокого давления для нарезки щелей в уголь­ ном (или слабом породном) целике в зависимости от горно-геологи-

. веских условий на крепких углях или при знавительном отжиме угля, наливии сильно ослабленных тектонивескими нарушениями павек и др. может оказаться приемлемым или для вистой нарезки щелей с последующим полным разрушением ослабленного забоя другим способом, или для полного разрушения целика в процессе осуществления определенного порядка нарезки щелей (без дополни­ тельных средств разрушения);

применение струй сверхвысокого давления для резания горных пород всегда требует применения последующих способов разруше­ ния ослабленного целика.

В кавестве вспомогательных опытных расветных зависимостей приведем рекомендации для отдельных условий. При обосновании удельного расхода воды для гидромониторных струй можно восполь­

ности использования удара струи о забой при осевом давлении рт

на уменьшение коэффициента при h < 10 м и увеличении его знавений при /г > 10 м; П ! — производительность монитора при h =

имеется возможность поддерживать постоянное и наиболее рацио­

69