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

Г л а в а I V

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. ГИДРОТРАНСПОРТНЫЕ УСТАНОВКИ II ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОТОКОВ ГИДРОСМЕСЕЙ

Гидросмеси перемещаются гидравлическими транспортными уста­ новками в виде н е п р е р ы в н ы х п о т о к о в по определенной трассе желобов (лотков) или труб. Гидравлическое транспортиро­ вание сыпучих материалов ведется с использованием несущей среды (воды, а в отдельных случаях — воды с диспергированными части­ цами) .

Г и д р а в л и ч е с к и е т р а н с п о р т н ы е у с т а н о в к и по роду используемой энергии разделяются на самотечные (безна­ порные) и с естественным или искусственным напором (напорные).

Характерной особенностью установки самотечного транспорта является перемещение породы потоком, движущимся под действием силы тяжести (рис. 18). По способу загрузки транспортной системы они выполняются:

с приемным направляющим желобом применительно к гидравли­

нительно к механической загрузке (материал подается скрепером, конвейером и другими механизмами в поток воды).

При самотечном транспорте гидросмесь перемещается по канавам, желобам, трубам и течкам специального профиля.

Характерной особенностью напорного транспорта является пере­ мещение породы потоком, движущимся под действием давления, созданного в транспортной установке. По принципу использования энергии установки можно разделить на следующие:

работающие со специальными машинами и аппаратами для засасывания и последующего нагнетания гидросмеси по трубопро­ воду (рис. 19);

работающие с загрузочными устройствами и использующие напор, создаваемый обычными насосами или разностью уровней жидкости, только для нагнетания гидросмеси по трубам (см. рис. 18, б и 19, б).

71

В первом случае транспортная установка оборудуется землесосом или струйным насосом, в нагнетательный патрубок которого вклю­ чается рабочий трубопровод, а во втором — загрузочным устрой­ ством общего назначения или герметическим питателем, обеспе­ чивающим дозировку (шлюзование) породы в трубопровод, в кото­

3

| = 4 - - 1- ' |— г - I-

Рпс. 18. Схемы самотечных гидротранспортпых установок:

а — с желобами; б — с трубопроводом; I — подача породы; 2 — подача воды; з — движение

гидросмеси

— стационарными с магистральным трубопроводом длиной более 12—15 км (или нескольких сотен) километров.

В зависимости от протяженности транспортных коммуникаций для работы установок требуется напор примерно от 5 до 700 м вод. ст. Таким образом, по величине напора гидротранспортпые установки можно разделить на:

пнзконапорные— (3—7) •Ю5 Ы/м2, или 30—70 м;

со средними напорами — (7—25) •105 I-I/мз, или 70—250 м;

высоконапорные— (25—70) •105 Н/мЗ, или 250—700 м.

В технологических процессах геологоразведочного и горного производства применяют установки:

— для перемещения пород и полезных ископаемых в пределах технологического цикла (гидропородопроводы, рудопроводы, угле­ проводы, закладочные трубопроводы);

для перемещения шламов и хвостов (шламопроводы, хвостопроводы);

<— для перемещения вспомогательных материалов (бетонопроводы, шлакопроводы и др.).

Установки, выполненные в виде сочетания устройств для приема гидросмеси и транспортирования, в т. ч. с несколькими перекач-

72

ними станциями, часто называют т р а н с п о р т н ы м и с и с т е ­ м а м и .

О с н о в н ы е п а р а м е т р ы п о т о к о в г и д р о с м е с е й характеризуют с одной стороны их физико-механические свойства, а с другой — условия установившегося движения в системе гидравли­ ческого транспорта. Как уже было показано, при рассмотрении видов гидросмесей и их физико-механических свойств к основным

Рис. 19. Схемы гпдротранспортных установок с использованием искусственного напора:

а — с насосами; б — с герметичным загрузочным устройством; 1 — поступление породы; 2 — подача воды; з — движение гидросмеси; 4 — землесос; 5 — струйный насос; 6 — загру­

зочное устройство

с т а т и ч е с к о е и д и н а м и ч е с к о е н а п р я ­

(средняя в поперечном сечении потока) скорость, при которой еще происходит перемещение твёрдых частиц без отложения неподвиж­ ного слоя на нижней стенке (понятие не распространяется на гидро­ смеси, обладающие реологическими свойствами);

или перепада давления между двумя поперечными сечениями потока

73

такая минимальная (средняя) в поперечном сечении потока скорость, при которой еще происходит перемещение твердых частиц полным сечением, без торможения и обратного (вниз) движения частиц вблизи стеиок трубы (понятие ие распространяется иа гидросмеси,

ляемые как отношение напора или перепада давления между двумя поперечными сечениями потока на единицу длины транспортного трубопровода; г1 == г'ст + г, где /,ст = 1-у, кН /м2, определяется как часть удельных потерь, обусловленная весом столба гидросмеси, a i — как часть удельных потерь, обусловленная наличием гидравли­

применительно к тонкодисперсным гидросмесям используется поня­ тие о критической скорости н,)р как о такой, при которой и выше которой удельные гидравлические потери напора, выраженные высотой столба гидросмеси, равны таковым при движении несущей жидкости (воды).

В отдельных случаях на практике осуществляется транспорти­ рование при наличии на пижней стенке неподвижного слоя частиц. Для этих условий значения критической и рабочей скорости совпа­ дают.

§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СХЕМЫ II РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГИДРОСМЕСЕЙ

По результатам выполненных экспериментальных исследований (микроскопии, киносъемки и изучения структуры потока с приме­ нением различных датчиков) установлены физические схемы движе­ ния различных видов гидросмесей как в напорных, так и в самотеч­ ных транспортных системах.

Для с т р у к т у р н ы х г и д р о с м е с е й (всегда сильно насыщенных частицами) характерно движение, подобное перемеще­ нию с деформациями пластичного твердого тела. Вследствие малых размеров частиц, большого количества их в потоке и соприкоснове­ ния друг с другом через структурные связи они передают давление вместе с жидкостью, заключенной внутри пространственной струк­ туры твердой фазы. Вследствие этого поток не расслаивается даже при малых скоростях.

Данный вид гидросмесей, к которым относятся смеси с дисперги­ рованными глинистыми породами, мелом, углями и рудами, обла­ дает вязкопластичиыми свойствами. В отличие от истинно вязких однородных жидкостей (см. гл. II) они оказывают начальное сопро­

74

Для т о н к о д и с п е р с н ы х г и д р о с м е с е й турбулент­ ный режим движения является основным. В отличие от движения однородной жидкости (воды) поток гидросмеси подвержен опре­ деленному воздействию инерционного поля сил твердых частиц. Однако вследствие малости их размера и участия в пульсационном движении жидкости поток может быть представлен условно в виде фиктивной однородной системы, физические характеристики которой (плотность и вязкость) равны средним по объему характеристикам гидросмеси, т. е. в этом случае

Р = «Р5 + (1 — s) Ро,

где ps и р0 — соответственно плотность частиц и воды, а напряжение турбулентного трения в потоке может быть выражено аналогично потоку однородной жидкости.

б

Рис. 21. Кривые i (и), и (у) п s (у) для тонкодпсггерсшлх гидросмесей (трубы D =

= 105 мы):

а — i (и) для медной руды, ys = 39 кН/м3, dcp = 0,05 мм; 1 и*2 — vl= 14 и 15 кН/м3; 0 —

и н s (у) для той же медной руды; 1 и г — для средних скоростей и = 2,64 п 1,25 м/с при сред­ ней s = 0,164

Для условий движения такой фиктивной однородной системы

впервом приближении можно считать, что напряжения турбулент­ ного трения в потоке, как и в однородной жидкости, пропорцио­ нальны гидродинамическому давлению р (или суммарному сопро­ тивлению потока). Физически этим выражается перенос количества движения из слоя в слой некоторых конечных масс с заключенными

вних твердыми частицами.

Турбулентный перенос в тонкодисперсных смесях в отличие от однородной жидкости происходит с дополнительными затратами энергии, которые примерно пропорциональны разнице между плот­ ностью гидросмеси и чистой воды.

На рис. 21 приведены экспериментальные данные для типичной тонкодисперсной гидросмеси. Из графиков следует, что в отличие от движения воды (кривая 5), для которой характерны ламинарные (при малых скоростях) и турбулентные режимы, гидросмесь пере­ мещается устойчивым потоком только при повышенных скоростях. При этом существует такая минимальная критическая скорость

76

сотложением на нижней части стенки. Движение смеси происходит практически при равномерном по вертикали потока распределении концентрации и с профилями скоростей на графике, совпадающими

спрофилями скоростей для воды (рис. 21, б).

Кривые i (и) для гидросмеси при повышенных скоростях (больше

ных гидросмесей имеют вид, подобный тонкодисперсным (см. рис. 20). П р и д в и ж е н и и г р у б о д и с п е р с н ы х ч а с т и ц последние вносят в поток существенные структурные изменения. Твердые частицы вследствие значительной инерции дробят вихре­ вые массы, но вместе с тем в гораздо большей степени являются источником интенсивного возбуждения вихревой структуры потока

при своем относительном движении по вертикали его.

Основной формой движения частиц в таких потоках является скачкообразное движений, не связанное с турбулентными пульса­ циями. При соприкосновении с нижней стенкой продольная составля­ ющая скорости твердых частиц несколько теряется и затем вос­ станавливается в толще потока при подъеме частиц, на что затра­ чивается определенная часть энергии потока. Физически это про­ является в виде «торможения» потока, определяющего в нем новую форму напряжения трения вблизи стенки. В этом случае образуется подвижная шероховатость из частиц в нижней части потока. Влия­ ние частиц на движение несущей жидкости тем меньше, чем мельче частицы, так как в этом случае площади их соприкосновения со стенкой ограничены, а пребывание в толще потока значительное по сравнению с крупными. Потерянная каждой частицей энергия мала, и ее общая величина определяется лишь множеством ударов частиц. В таком потоке определенная часть энергии затрачивается на поддержание поступательного движения гидросмеси заданной концентрации. При этом частицы перемещаются по сложным траекто­ риям при наличии тормозящего действия слоев жидкости, стенок потока и соударений частиц.

На рис. 22 приведены экспериментальные данные для типичной грубодисперсной гидросмеси. Из графиков следует, что для гидро­ смеси данного вида характерно существеное отличие кривых i (и) для воды и смеси. Критическая скорость повышается при увели­ чении концентрации (или удельного веса у) гидросмеси. Гидравли­ ческие сопротивления гидросмеси и воды отличаются между собой значительно больше чем на сомножитель у (что характерно для тонкодисперсных гидросмесей). Область с экстремальным значе­ нием i, близким к нкр, по мере повышения концентрации сдвигается в зону повышенных скоростей.

Существенное различие кривых i (и) для воды и гидросмеси ха­ рактеризуют кривые s* (у) и и (у), свидетельствующие о неравномерном

77

распределении концентрации частиц и асимметричности профиля скоростей жидкости в потоке гидросмеси (см. рис. 22, а и б). Указанная'неравиость изменения s и асимметрия профилей для и тем значительнее, чем выше средняя концентрация.

Заметим, что точка пересечения кривых s (у) соответствует при­

характера трения жидкости вблизи нижней стенки потока. Сколь­ зящие и перекатывающиеся по стенке со сравнительно кратковре­

10) d (в зависимости от крупности частиц) подвижную шерохова­ тость. Торможение потока, вызванное этой шероховатостью, пре­ валирует над затратами энергии вследствие имеющего место отно­ сительного движения частиц по вертикали потока.

В гидравлике в качестве определяющего фактора влияния шерохо­ ватости на сопротивления движению установлена высота выступов шероховатости: меньшее влияние оказывает «густота» расположе­ ния этих выступов.

При движении неоднородных дисперсных систем, например, с частицами крупностью 2 -г 5 мм при прочих равных условиях отмечается «потолок» взвешивания в пристеночной области, боль­ ший, чем для кусков размером до 40 -г 00 мм. Однако при одних и тех же концентрациях они создают примерно одну и ту же, с точки зрения оказания сопротивлений, подвижпую шероховатость, т. е. они

78

«захватывают» при своем движении примерно одинаковую по высоте область потока, а пх результирующее действие иа трение в общем оказывается примерно одинаковым.

Влияние угловатых крупных частиц должно в большей мере сказываться на сопротивлениях, чем хорошо окатанных, особенно при малых скоростях. В этом случае как бы изменяется форма «отдельных выступов» подвижной шероховатости, по аналогии с ше­ роховатостью стенок потока. Значение же этого фактора, однако, не может быть определяющим вследствие влияния высоты и «густоты» шероховатости.

Дополнительные сопротивления, обусловленные наличием под­ вижной шероховатости, определяются помимо насыщения потока (высота подвижной шероховатости) силами трения между частицами и стенкой.

На рис. 23 приведены экспериментальные данные для типичной гидросмеси с кусковыми породами. Из графиков следует, что кри­ вые i (и) для гидросмеси располагаются значительно выше по отно­ шению к кривой i (и) для воды. В отличие от других видов гидро­ смесей кривые в диапазоне и = (1—2) нкР проходят примерно параллельно кривой для воды (у тонкодпсперсных смесей отходят, а у грубодисперсных — приближаются к кривой для воды). Экстре­ мальная область кривых охватывает незначительный диапазон величин (режим весьма неустойчив). Гидравлические сопротивления резко возрастают по сравнению с сопротивлениями для чистой воды.

Значительное различие кривых i (и) для воды и гидросмеси отражают кривые и (у) и у (у) (см. рис. 23, б). Они показывают, что для этого вида гидросмесей распределение концентрации частиц весьма неравномерно, а асимметрия профилей распределения ско­ ростей наиболее значительна. Особенностью распределения кон­ центрации для смесей с крупными частицами является малое разли­ чие кривых s (у) с повышением скорости (для практически реализуе­ мого диапазона скоростей кривые s (у) для разных средних скоростей обычно совпадают в отличие от потоков грубодисперсных гидро­ смесей).

в зависимости от содержания классов твердой фазы. О влиянии различных факторов на величины критической скорости и гидравли­ ческих сопротивлений экспериментами установлено следующее (рассматриваются потоки при концентрациях s = 0,1 и более):

если содержание осиовного класса для того или иного вида гидросмеси превышает 50—60%, то практически характер движения смеси определяется данным классом;

содержание в тонкодисперсных гидросмесях частиц более круп­ ных классов до 10—15% сказывается мало;

содержание в гидросмесях тоикодисперсных классов частиц более 20% существенно сказывается на гидравлических сопротивле­ ниях ;

79