книги из ГПНТБ / Охрименко В.А. Подземная гидродобыча угля учеб. пособие

вначале по почве горной выработки, а затем по желобам без­ напорного гидротранспорта.

При горизонтальном залегании пласта безнапорное перемеще­ ние пульпы невозможно; в этом случае гидравлический транспорт является напорным и осуществляется гидроэлеваторами или угле­ сосами.

Гидравлический транспорт характеризуется безопасностью, на­ дежностью и экономичностью. Так, если на транспортирование 1 т угля на обычной шахте расходуется 1 руб., то на гидрошахте — 0,1 руб.

В настоящее время на гидрошахтах для транспортирования угля применяют углесосы 10У4, 12У10, 10У12, 14У7, 10У5, 12УВ6, 10УВТ-2м производительностью до 1400 м3/ч с напором до 320 м вод. ст. Скорость движения пульпы 2—2,5 м/с. Средняя весовая консистенция смеси Т : Ж = 1 : 5ч-1 : 7.

§ 2. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА ГИДРОСМЕСИ. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ КРУПНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ФОРМЫ ЧАСТИЦ

О б ъ е м н ы й вес пу л ь пы. Так как вес пульпы G0 склады­ вается из веса воды GB и веса твердого Ст, а объем пульпы W0 — из объема воды WB и объема твердого материала WT, то без учета наличия пор в твердом материале объемный вес пульпы

к объему воды в пульпе называется объемной консистенцией, а от­ ношение веса твердого материала к весу воды в пульпе — весовой консистенцией. Из определения видно, что консистенция смеси есть величина, обратная удельному расходу воды.

Г р а н у л о м е т р и ч е с к и й с о с т а в т в е р д о г о м а т е р и ­

ставляют в виде графика (рис. 76). По оси абсцисс откладывают размер частиц, а по оси ординат — процентное содержание твер­ дых частиц в смеси. Кривую строят по точкам; их ординаты равны процентному содержанию по объему твердого, размер частиц ко­ торого меньше величины d, определяемой абсциссами этих точек. Иногда гранулометрический состав представляют в виде таблицы.

Гранулометрический состав твердого характеризуется средним

180

размером dcp содержащихся в пульпе кусков и коэффициентом неоднородности состава пульпы о.

Средний размер кусков представляет собой такое значение диа­ метра, которое определяется как средняя абсцисса площади, за­ ключенной между кривой гранулометрического состава и осью ординат.

За величину коэффициента неоднородности о принимают от­ ношение

Важнейшими характеристиками гранулометрического состава являются также максимальный размер кусков в смеси и процент-

равна нулю, затем она начинает падать и, наконец, на некотором расстоянии от поверхности наступает установившееся движение частицы с постоянной скоростью.

На рис. 77 представлена эпюра скоростей движения частицы в различных участках пути. Постоянную скорость свободного па­ дения частицы называют гидравлической крупностью, или скоро­ стью свободного падения. Она определяется по формуле

(40)

181

где dcp — средний диаметр частицы; YT — объемный вес твердого тела; YB— объемный вес жидкости;

Сх — коэффициент лобового сопротивления.

Скорость падения частицы не в воде, а в пульпе называется скоростью стесненного падения. Она меньше, чем скорость свобод­ ного падения.

Для осуществления гидроподъема твердого тела необходимо, чтобы скорость движения потока жидкости была больше скорости стесненного падения самой крупной частицы перемещаемого мате­ риала.

Ниже приведены значения гидравлической крупности породных частиц (для YT= 2,65 г/см3), а в табл. 7 — гидравлическая круп­ ность в растворах поташа, характеризующихся одинаковым коэф­ фициентом вязкости и различной плотностью.

182

Напишем условие равновесия сил при свободном витании ча­ стиц

Из этого уравнения можно определить коэффициент лобового со­ противления

где

Отношение Wт

тем больше, чем меньше размер частицы, так как мелкие частицы легче взвешиваются и переносятся потоком. Коэффициентом фор­ мы частицы называется отношение парусности шара к парусности частицы одного и того же объема:

0,55, окатанного гравия 0,69, ракушечника 0,3.

§ 3. ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПУЛЬПЫ

Характер движения твердых частиц в потоке зависит не только от скорости движения пульпы, но и от размеров частиц, их удель­ ного веса и свойств транспортирующей жидкости.

Разнородный по крупности рядовой уголь при достаточной для перемещения скорости движется так. Мелкие угольные частички перемещаются, будучи почти равномерно рассеянными по всему сечению потока (во взвешенном состоянии), угольные частицы средней крупности и крупные перемещаются в потоке воды скач­ ками, качением и волочением по дну трубы или желоба. Более или менее крупные частицы перемещаются не в воде, а в смеси воды и мельчайших частиц, которая обладает другими свойствами, от­ личающимися от свойств воды. Эта смесь имеет больший удельный.

183

вес, чем вода, и обладает большей транспортирующей способно­ стью. Вода с большим содержанием мельчайших угольных частиц представляет собой устойчивую смесь, из которой частицы не вы­ падают даже при длительном отстаивании. В такой смеси можно транспортировать угольные частицы значительных размеров при сравнительно малых скоростях.

§ 4. ВЗВЕШИВАНИЕ И ПЕРЕНОС ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ В ТРУБАХ И ЖЕЛОБАХ

Первой причиной взвешивания является турбулентное переме­ шивание в потоке: непрерывно образующиеся внутри турбулент­ ного потока вихри захватывают частицы и поднимают их со дна.

Однако за счет турбулентного перемешивания могут взвеши­ ваться только мелкие и мельчайшие частицы, так как импульсы сил от турбулентных вихрей относительно малы.

Вторая причина взвешивания твердых частиц состоит в следую­ щем. При своем движении более или менее крупные частицы в по­ токе, хотя и незначительно, но отстают от движения воды и мель­ чайших частиц (рис. 78,а).

Вцентральной области отставание твердых частиц от транс­ портирующей жидкости меньше, в пристенной — больше. Скорость обтекания частицы снизу Ѵ\ меньше, чем сверху Ѵ2, так как ско­ рость потока в центральной части трубы всегда больше, чем в при­ стенной.

Врезультате такого соотношения скоростей снизу возникает большее давление на частицу, чем сверху. Частица отрывается от дна, поднимается вверх и переносится потоком. Подъем и перенос частицы происходит до тех пор, пока давление снизу не будет урав­ новешено силой тяжести. Как только частица попадет в централь­ ную область, где скорости обтекания снизу и сверху почти равны, следовательно, почти равны и давления, она под действием силы веса снова опускается на дно трубы. После этого частица вновь поднимается.

Таким образом, частицы определенной крупности при соответ­ ствующих условиях перемещаются скачкообразно.

Третья причина взвешивания — выталкивающая сила воды (или вернее, воды с примесью мельчайших частиц), которая действует по закону Архимеда.

Перемещение частицы в нисходящих потоках происходит

прежде всего за счет силы тяжести. Эта сила тем больше, чем больше угол наклона потока.

Перемещение твердых частиц вдоль потока происходит также за счет силы лобового давления жидкости (скорость жидкости больше, чем скорость частиц).

184

а

При натекании жидкость оказывает давление на частицы, филь­ труется через скелет, состоящий из твердых частиц (рис. 78,6). Немаловажное значение в комплексе сил, перемещающих твердые частицы, имеет сила жидкостного трения, увлекающая частицы

всторону транспортирования. Этот фактор играет тем большую роль в системе сил, действующих на частицу, чем больше удельная поверхность частицы и вязкость транспортирующей жидкости.

Вследствие изменения локальной концентрации твердых частиц

вданном створе потока, а также вследствие изменения миделева сечения, происходящего по причине переориентации частиц за счет случайных импульсов, величина площади живого сечения транс­

портирующей жидкости непрерывно изменяется во времени (рис. 78, в). Происходит сужение и расширение каналов, через ко­ торые проходит поток транспортирующей среды. Отсюда ясно, что скорость движения транспортирующей среды является переменной величиной.

Вследствие разницы скоростей движения транспортирующей и транспортируемой фаз в потоке двухфазной системы проявляется эффект затенения (рис. 78, г). Физическая сущность этого эффекта состоит в том, что перед движущейся частицей и за ней образуются вихревые зоны движения жидкости (зоны затенения).

Этот эффект тем ощутимее, чем больше разность скоростей. При движении весьма крупных частиц, в открытом потоке когда относительная скорость весьма велика, зоны пониженного давле­ ния и скоростей движения жидкости достигает значительных пло­ щадей, часть потока натекает на частицу и ниспадает с нее в виде характерных веерообразных струй. Сзади частицы образуется зона повышенного давления, в которой имеет место циркуляцион­ ное движение (рис. 78, д).

В зоне понижения скоростей могут выпадать на дно мелкие частицы и частицы средней величины. Они скапливаются перед крупной твердой частицей и мешают ей двигаться. Крупная ча­ стица должна не только перемещаться сама, но и должна сдвигать в сторону транспортирования частицы, попавшие в зоны понижен; пых скоростей. Зоны пониженных скоростей перемещаются вместе с частицей, изменяясь по величине, в зависимости от ориентации частицы и характера ее движения в потоке, оказывая существен­ ное влияние на такие же зоны движущихся соседних частиц. Мел­ кие частицы движутся в потоке всегда с большей скоростью, чем крупные; они фильтруются вместе с транспортирующей жидкостью сквозь скелет, состоящий из крупных частиц.

Как следствие этого явления имеет место контактное трение мелких частиц о крупные, о дно и о стенки (рис. 78, е), а также соударение мелких и крупных частиц (рис. 78, ж).

Последнее увеличивает транспортирующую способность потока, так как при непрерывном бомбардировании мелкие частицы пере­ дают часть своей энергии крупным и тем самым улучшают усло­ вия перемещения наиболее «трудных» крупных частиц, хотя при

186

трении и ударе теряется некоторая часть общей энергии потока. Отдельные мелкие частицы могут попадать под крупные (рис. 78, з), это улучшает условия перемещения последних. Вероятнее всего, что перемещение частицы в данном случае происходит качением.

Плоские и продолговатые частицы могут катиться на мелких частицах, как на катках (рис. 78, и). Это особенно вероятно в слу­ чае шарообразной формы мелких частиц. Поток жидкости со взве­ шенными частицами тяжелее, чем поток без взвешенных частиц, он обладает большим запасом потенциальной энергии. В резуль­ тате в этом потоке перемещается больше крупных частиц, чем в потоке, например, чистой воды. Удельный расход воды при гид­ ротранспорте с мелочью значительно ниже, чем без нее. Однако это явление характерно только для определенного соотношения мелких и крупных частиц. Если мелких частиц в потоке слишком много, то образуется слой заиления большей или меньшей толщины и условия перемещения крупных твердых частиц ухудшаются (рис. 78, к). Замечено, что если движение крупной частицы про­ исходит относительно песчаного основания, она колеблется в направлении N—N. На эти колебания затрачивается часть энер­ гии потока.

Частицы определенных размеров перемещаются в потоке скач­ кообразно. При опускании частицы возникает удар ее о дно. Упру­ гие силы при ударе помогают взвешиванию частицы в потоке (рис. 78, л).

Характер движения частиц в открытом потоке зависит от со­ отношения моментов сил, действующих на частицу.

Последнее находится в непосредственной связи с характери­ стиками потока перемещаемого в нем материала и твердых ча­ стиц потока.

Исследование параметров безнапорного гидротранспорта угля по желобам, футерованным высокофрикционными материалами (резиной, торцовыми деревянными вставками, цементом), пока­ зали, что частицы определенной крупности в потоке совершают ^сложные движения: поступательное вдоль желоба и вращательное вокруг какой-либо из осей. Такой характер движения имеет также классифицированный сильно окатанный материал (гравий) даже по металлическому желобу.

Вращение частицы вокруг горизонтальной оси обусловлено

большее давление, чем на нижнюю. Контактное трение твердой частицы о дно желоба вызывает торможение нижней половины частицы и способствует качению ее.

Вращение частицы вокруг вертикальной оси вызывается нерав­ номерностью распределения скорости жидкости в плоскости дви­ жения частицы, асимметричностью ее формы и случайными им­ пульсами (рис. 78, н). Вероятность совместного поступательного

187

движения воды вдоль желоба и вращения частицы вокруг про­ дольной оси ее мала, хотя и такое движение частицы можно

ление, а векторы окружной скорости точки 1 и скорости потока на­ правлены в разные стороны. Вследствие этого давление в точке 1 будет больше, чем давление в точке 2, поэтому возникает допол­ нительная подъемная сила, действующая вследствие эффекта Маг­ нуса.

Эффект Магнуса проявляется также и при обтекании потоком частицы, вращающейся в плоскости, параллельной дну желоба. В этом случае на частицу вследствие эффекта Магнуса будет дей­ ствовать дополнительная сила FM (см. рис. 78, л). Под действием этой силы, а также под действием других сил частицы часто совер­ шают поперечные движения так, что путь движения частицы все­ гда больше длины пульпопровода. Вследствие такого поперечного движения происходят удары твердых частиц о стенки.

твердых частиц и жидкости в нем. Спектр частоты колебания за­ висит от толщины и упругих свойств материала пульпопровода, крупности, формы, удельного веса частицы и угловой скорости ее

ными, так что частицы могут вылетать из потока пульпы. Поэтому при больших уклонах желоб накрывают сверху стальными листами.

При предельном нагружении потока вероятность перемещения частиц качением значительно снижается, поэтому уменьшаются и колебания пульпопровода.

Почти не подвержен колебаниям пульпопровод, лежащий на сплошном основании и тесно с ним связанный.

В процессе транспортирования в открытом потоке иногда имеет место грядовое перемещение твердых частиц, физически объясня­ ющееся следующим образом. Крупные твердые частицы при недо­ статочных уклонах дна желоба или расходе воды вызывают тор­ можение частиц мелких и средней крупности.

Последние при определенной характеристике потока могут накапливаться между крупными, образуя более или менее плотную движущуюся преграду для жидкости. Сопротивление движению транспортирующейся среды в этом месте увеличивается.

Перед такой локальной преградой накапливается вода, появ­ ляется некоторый подпор. По мере накопления массы воды по­ следняя преодолевает преграду и заставляет ее двигаться вперед.

188

На месте только что бывшего подпора резко уменьшается глу­ бина потока, что в свою очередь является условием образования новой плотной преграды: отложение крупных частиц, скопление мелких и т. д.

Анализ рассмотренных явлений показывает, что процесс напор­ ного и безнапорного гидротранспортирования является с физиче­ ской точки зрения чрезвычайно сложным.

§ 5. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ НАПОРНОГО ГИДРОТРАНСПОРТА

Под энергоемкостью гидротранспорта понимают количество энер­ гии в киловатт-часах, затрачиваемой при перемещении потоком воды 1 т полезного груза (угля, песка и др.) на 1 км.

Энергоемкость в процессе гидротранспортирования зависит от скорости движения смеси, диаметра трубопровода, крупности ча­ стиц перемещаемого материала и его удельного веса, от свойств транспортирующей жидкости (удельного веса и вязкости), кон­ центрации смеси, качества монтажа пульпопровода, количества закруглений, отводов и других местных сопротивлений и их гид­ равлических характеристик, коэффициента трения материала о стенки и шероховатости стенок трубопроводов, к. п. д транспорти­ рующей машины (агрегата).

Основную долю стоимости гидротранспорта (75—80%) состав­

транспортирования расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений при движении чистой воды, взвешивание и перенос частиц в направлении движения потока, обтекание их жидкостью,

где К ■— коэффициент гидравлического сопротивления; / — длина пульпопровода, м;

d — диаметр пульпопровода, м;

и — скорость движения смеси, м/с.

Из формулы видно, что при обеспечении заданной производи­ тельности уменьшение скорости смеси резко снижает затраты энер­ гии, а также вызывает необходимость увеличения диаметра пуль­ попровода, что снижает его сопротивление и, следовательно, по­ тери напора.

Однако уменьшать скорость движения смеси можно лишь до некоторого предела (критической скорости), после чего начинается

189