obschee
.pdfкоторые имеют временное сопротивление давлению 0,075…1,0 МПа
(рис. 3.1, а). Для этих давлений струи промышленность изготавливает насосы с производительностью воды до 4000 м3/час, что позволяет создавать гидромониторы высокой производительности по породе
(до 700 м3/час). В связи с этим разработка вскрышных пород на открытых работах, как правило, осуществляется водными струями с отмеченными давлениями при насадках диаметром 50…190 мм. Рабочая длина струи при этой технологии используется в пределах от 10 до 80 м.
Разработка угля слабой и средней прочности, которые имеют сопротивление давлению 4,7…18 МПа, ведется струями воды среднего давления 3…13 МПа (рис. 3.1, б). Для этих давлений изготавливают насосы с производительностью воды до 400 м3/час, что позволяет создать гидромониторы с насадками диаметром 16…32 мм. При таких параметрах струй практикой достигнута производительность гидромонитора по углю в подземных условиях 20…70 т/час. Рабочая длина струи используется в пределах 0,3…10 м.
Для разработки угля средней прочности и прочных, которые имеют временное сопротивление давлению 18…23 МПа, применяется третья группа струй воды давлением 15…30 МПа при насадках диаметром 4,5…12 мм (рис. 3.1, в). Рабочая длина струи используется в пределах 0,1…4 м. Для данных параметров струй промышленность пока что изготавливает только насосы на давление 32 МПа с недостаточной для этих работ производительностью воды – 12 м3/час. Для создания эффективных струй этой группы необходимо изготовление соответствующих насосов. В некоторых случаях возможно применение повышателей давления.
21
Рисунок 3.1 – Схема разрушения горного массива струями низконапорными (а), среднего давления (б) и тонкими струями высокого давления (г)
Уголь средней прочности и прочный с временным сопротивлением давлению 18…38 МПа могут разрушаться тонкими струями высокого давления – 35…60 МПа при насадках диаметром
1…4 мм (рис. 3.1, г). Эти струи имеют расход воды 2…17 м3/час и эффективные при отдалении забоя от насадки на 0,02…0,4 м. В данное время такие струи еще не нашли широкого промышленного применения, но произведенные исследования, как стендовые, так и исследовательски-промышленные, подтверждают высокую эффективность применения этих струй.
Струи сверхвысокого давления экспериментально применяются при разрушении прочных горных пород с временным сопротивлением давлению 60…180 МПа, при давлениях струи воды 70…300 МПа и
22
насадками диаметром 0,2…0,9 мм. Эти струи еще не имеют широкого промышленного применения, однако они эффективны при разрушении прочных пород, поэтому у них большая перспективность в будущем.
Исследования и опыт применения водных струй в горных работах показал, что интенсивность размыва вскрышных пород,
разрушение угля находится в зависимости от физико-механических особенностей горного массива (прочности, вязкости, трещиноватости,
водопоглощения) и от параметров струи (динамических давлений, силы давления струи на массив, диаметр струи, длины начального участка и др.).
3.1.4 Структура струи
Исследования структуры гидромониторной струи показали, что поперечный срез ее характеризуется наличием трех зон (рис. 3.2).
Первая зона, которая находится в центре струи, называется ядром. В
ядре струя имеет наибольшую плотность, поскольку цельность потока жидкости еще не нарушена. Скорость потока и динамическое давление в ядре равны скорости и давлению на выходе из насадки. С отдалением от насадки площадь сечения ядра уменьшается. Вторая зона окружает ядро. Она характеризуется нарушением цельности потока – наличием пузырьков воздуха. В результате взаимодействия струи с окружающим воздухом скорость потока и динамическое давление в этой зоне снижается. Третья зона представляет собой отдельные раздробленные струи и мелкие капли воды, которые двигаются в воздушном пространстве.
23
I – начальный участок; II – переходной участок; III – участок распада; 1 – ядро; 2, 3 – вторая и третья зоны плотности струи
Рисунок 3.2 – Структурная схема гидромониторной струи (а) и график зависимости осевого динамического давления pд на расстоянии l от насадки гидромонитора (б)
Вдоль струи различают три участка. На начальном участке в
поперечном сечении струи есть первая и вторая зоны. Струя
компактная, имеет большую плотность и динамическое давление. В
конце этого участка первая зона (ядро) исчезает. Для переходного
участка характерно наличие второй и третьей зон. Струя интенсивно
насыщается воздухом и начинает распадаться, ее плотность и
24
динамическое давление значительно снижаются. На участке распада
имеется только третья зона – струя распадается и практически полностью теряет динамическое давление.
Длина работоспособной части струи зависит от диаметра насадки и напора воды. Для гидромониторов, которые применяются на открытых горных работах, она находится в пределах 350…450
диаметров насадки.
3.1.5Формирование струи в проточном канале
гидромонитора и в насадке
В гидромониторах режим движения воды всегда турбулентный.
Кроме природной турбулентности, вихри возникают на поворотах и в расширениях трубопровода. Завихрения в потоке перед насадкой снижают работоспособность струи.
Одним из основных условий формирования напорной струи воды для разрушения горных пород является необходимость получения при вылете из насадки струи с динамическими характеристиками,
которые обеспечивают высокую эффективность разрушения массива.
Качество струи может быть характеризирована путем комплексного составления таких ее характеристик, как длина начального участка,
осевое и среднее динамические давления по сечению струи и др. Более компактная струя имеет большую длину начального участка, медленное изменение осевого динамического давления по длине, большее значение среднего динамического давления на одинаковом расстоянии. Эпюра значений динамического давления по сечению у более компактной струи имеет меньшее убывание на отдалении от оси. В результате энергия струи доносится к массиву, который разрушается, в более концентрированном виде. Структура и динамические характеристики
25
гидромониторной струи в значительной мере зависят от условий движения потока воды в проточном канале.
Проточный канал гидромонитора включает колена, поворотные шарниры, ствол, насадку и специфические для той или иной конструкции гидромонитора узлы и детали (рис. 3.3).
Наиболее существенным изъяном потока воды в канале гидромонитора является вращение потока вокруг продольной оси канала, неравномерность продольной скорости, турбулентность и кавитация при большом давлении. Источником возникновения этих возмущений потока в проточном канале гидромонитора служат повороты канала и резкие местные нарушения прямолинейности в фасонных частях.
Основная задача при формировании струи в стволе гидромонитора состоит в том, чтобы обеспечить ликвидацию возмущений, которые появляются в гидромониторе. Для полного устранения неблагоприятного влияния на структуру и динамику струи турбулентных пульсаций необходимо иметь прямолинейный ствол,
длина которого составляла бы приблизительно 40…50 диаметров его канала. В этом случае длина ствола в низконапорных гидромониторах,
наиболее распространенных на открытых горных работах, составляла
10…18 м, а в гидромониторах на подземных работах – 4…5 м. Однако,
стволы таких размеров в практических условиях не могут быть использованы, поскольку в этом случае управление гидромониторами очень усложняется, а их масса и трудоемкость обслуживания увеличиваются. Поэтому для погашения турбулентности применяются выпрямители потока, которые получили название успокоители потока.
При наличии успокоителя в стволе гидромонитора длина начального участка струи увеличивается в 2 раза и осевое динамическое давление в
26
струе уже на расстоянии 7 м от насадки тоже увеличивается в 2 раза
(рис. 3.4).
Конструкция успокоителя играет существенную роль в процессе формирования потока воды и устранения в нем разного рода возбуждений. На эффективность гашения турбулентных пульсаций и возбуждений потока воды в стволе гидромонитора влияют также длина и место расположения успокоителя в стволе. Наиболее рациональным является сотовый успокоитель с шестнадцатью ячейками, созданными пластинами. При расстоянии между успокоителем и концом ствола,
равным двум диаметрам ствола Dс, и длины пластины 2,6·Dс,
гидромониторная струя имеет наилучшую компактность, потому что осевое давление в струе на расстоянии 4 м от насадки наибольшее в сравнении с другими размерами и формами успокоителей. Для гидромониторов, которые применяются на открытых работах,
рациональная длина успокоителя находится в пределах (1,8…2)·Dс.
Максимальные значения динамического давления струи полученные в случае, когда расстояние между концом ствола и успокоителем составляла (1…1,5)·Dс. Сотовый успокоитель рекомендован для установки в стволах гидромониторов ГМ-350/175-125, ГМДУЭГ-250,
ГМ-2 и др. Для открытых горных работ рекомендован новый ствол гидромонитора, показанный на рисунке 3.3.
27
1 – нижнее колено; 2 – верхнее колено; 3 – ствол; 4 – сотовый успокоитель; 5 – насадка
Рисунок 3.3 – Схема ствола гидромонитора с успокоителем
Рисунок 3.4 – График зависимости |
Рисунок 3.5 – Конструкция |
осевого динамического давления в |
насадки с цилиндрическим |
струе на расстоянии до насадки |
участком |
гидромонитора при наличии (1) и |
|
отсутствии (2) успокоителя |
|
Окончательное формирование водной струи происходит в насадке. Очертание профиля насадки и чистота ее внутренней поверхности определяют характер распределения энергии потока вдоль насадки. Падение статического напора зависит от длины и угла
конусности насадки, а компактность струи – от условий формирования
потока в насадке и потерь кинетической энергии в ней. В результате
исследований выявлено, что наиболее компактную струю дает насадка
конической формы с углом конусности α = 7…10° и с цилиндрическим
28
участком в конце длиной lц = (1,7…2,5)·dо, где dо – диаметр насадки
(рис. 3.5). Размеры насадок приведены в таблице 3.2.
Особое влияние на компактность струи делает также турбулентность в пограничном шаре воды около стенки насадки.
Источником такого возмущения могут быть шероховатость стенки,
пороги, канавки, а также недостаточно плавное соединение конической и цилиндрической частей насадок. При довольно плавном соединении конуса с цилиндром в насадке и гладкой внутренней поверхности ее стенок турбулентность в пограничном шаре воды будет минимальной.
Рекомендуется обрабатывать внутреннюю поверхность насадки по 10-
му классу, а после хромировать.
Таблица 3.2 – Размеры насадок для гидромонитора ГМ-350 (см. рис. 3.5)
Диаметр |
Угол |
Длина |
Общая длина |
насадки, мм |
конусности, |
цилиндрического |
насадки, |
|
град. |
участка, мм |
мм |
125 |
10,5 |
320 |
730 |
140 |
8,5 |
310 |
718 |
150 |
7,16 |
300 |
700 |
160 |
6 |
295 |
682 |
165 |
5,66 |
290 |
645 |
175 |
5 |
285 |
575 |
3.1.6 Динамические и структурные характеристики струи
1) Дальность полета струи
Если не учитывать аэрацию струи, сопротивление воздуха и
высоту размещения ствола гидромонитора относительно условного
горизонта, то дальность полета струи по горизонтали
29
|
v2 |
|
|
|
l |
0 |
sin 2 , |
(3.1) |
|
g |
||||
|
|
|
где v0 – скорость истечения струи из насадки; α – угол наклона струи к горизонту; g – ускорение свободного падения.
2) Осевое динамическое давление
Отличительной чертой разрушения горного массива струей воды является изменчивость динамических и структурных характеристик струи по мере увеличения расстояния между насадкой и массивом,
который разрушается. С увеличением расстояния от насадки увеличивается диаметр струи (в результате взаимодействия с окружающей средой и под влиянием других гидродинамических факторов). При этом струя постепенно теряет свою кинетическую энергию и ее динамическое давление уменьшается.
Вдоль начального участка осевое динамическое давление струи остается практически неизменно и равно давлению перед насадкой p0
p` p0 , 0 ≤ l ≤ lн, |
(3.2) |
где lн – длина начального участка длины струи; l – расстояние от насадки.
Вне начального участка осевое динамическое давление уменьшается (см. рис. 3.2 б). Для участка струи, который отвечает отношению l / lн = 1…10, на основании экспериментальных данных получена зависимость
p` |
lн |
k |
|
|
|
, lн |
l 10 lн . |
(3.3) |
|||
p0 |
l |
||||
|
|
|
|||
|
|
30 |
|
|