1.2. Расчет расхода и напора воды

Данные по вариантам работ приведены в приложении 1.1 и 1.2.

Удельный расход воды на отбойку породы (м³/м³) вычисляют по формуле

a₁ = Р₁ / H^0,5  V_з , (1.1)

где Р₁ - коэффициент работы по отбойке (м³м)^0,5; H - необходимый напор воды, м (табл. 1.1); V_з - коэффициент трудоемкости размыва забоя.

Рис. 1.3. Способы размыва пород: а – с увлажнением (применение гидроигл); б, в – с механическим рыхлением

Высота уступа соответствует мощности пород вскрыши и принимается с учетом следующих рекомендаций: при применении размыва с поверхности - не более 5 м; с нижней площадки уступа – не более 25...30 м. При большей мощности пород вскрыши из условий безопасности ведения работ принимают 2-3 уступа.

Удельный расход воды на выгонку (м³/м³) рассчитывают по формуле

a₂ = Р₂ / H^0,25  V_в , (1.2)

где Р₂ - коэффициент работы по выгонке (м³м)^0,25; V_в - коэффициент трудоемкости перемещения пород.

Коэффициенты работы по отбойке (м³м)^0,5 и выгонке (м³м)^0,25:

Р₁ = 6 10^-4  H^2,6274 ; (1.3)

Р₂ = (3,93В_г² – 5,37В_г + 237,98)  10^-2 , (1.4)

где В_г – выход мелкой гальки (-20+10 мм) в размываемых рыхлых отложениях, %.

Таблица 1.1

Необходимый напор воды для размыва пород гидромонитором

Категория пород	Породы	Необходимый напор при высоте уступа, м:
		5	от 5 до 15	15
1	Предварительно разрыхленные не слежавшиеся	30-40	40-50	50-60
2	Пески мелкозернистые	30-40	40-50	50-60
	Супесь легкая	30-40	40-50	50-60
	Лесс рыхлый	40-50	50-60	60-70
	Торф разложившийся	40-50	50-60	60-70
3	Пески среднезернистые	30-40	40-50	50-60
	Супесь средняя	40-50	50-60	60-70
	Суглинок легкий	50-60	60-80	70-90
	Лесс плотный	60-70	70-80	80-100
4	Пески крупнозернистые	30-50	40-60	50-70
	Супесь тяжелая	50-70	60-80	70-90
	Суглинок средний, тяжелый и глины песчаные	70-100	80-110	90-120
5	Песчано-гравийная смесь с содержанием гравия до 25 %	40-80	50-90	60-100
	Глины полужирные с содержанием глинистых фракций 40...50 %	80-120	100-140	120-160
6	Песчано-гравийная смесь с содержанием гравия до 40 %	50-90	60-100	70-110
	Глины полужирные с содержанием глинистых фракций до 50...60 %	100-140	120-160	140-180

Расчетные данные коэффициентов по отбойке и выгонке необходимо проверить по таблицам 1.2 и 1.3.

Коэффициент трудоемкости размыва пород в забое определяют по формуле

V_з = _р  _в , (1.5)

где _р - коэффициент способа размыва (табл. 1.4); _в - коэффициент высоты уступа.

Таблица 1.2

Необходимый расход воды на отбойку

Категория крепости пород	Коэффициент работы по отбойке, (м3м)0,5	Удельные расходы воды на отбойку, (м3/м3)
		Предельное значение	Наиболее распространенное
1	14...16	1,8...3,0	2...2,6
2	23...27	2,5...4,6	3,0...3,8
3	42...48	4,2...7,5	4,5...6
4	65...75	6...11	7...9
5	110...130	9...17	10...13
6	180...240	14...25	16...20

Таблица 1.3

Необходимый расход воды на выгонку

Крупнозернистый состав пород	Коэффициент работы по выгонке пород, (м3м)0,25	Удельные расходы воды на выгонку, (м3/м3)
		Предельное значение	Наиболее распространенное
Мелкая и крупная галька отсутствует	1...1,2	0,3...0,6	0,4...0,5
Галька мелкая до1 %	2,0...2,5	0,5...0,1	0,6...0,8
Галька мелкая до 5 %, крупная до 1 %	3,0...4,0	0,8...2,0	0,9...1,2
Галька мелкая до 10 %, крупная до 2 %	5...6,5	1,5...4,0	1,6...2,6
Галька мелкая до 15 %, крупная до 3 %	7...9	2,0...5,5	1,8...4,0
Галька мелкая до 20 %, крупная до 5 %	10...14	3...7,5	3,5...6
Галька мелкая до 25 %, крупная до 7 %	18...23	5...12	6...10
Галька мелкая до 30 %, булыжник до 10 %	28...35	7...17	8...12

Коэффициент высоты уступа зависит от способа размыва. Отличительными признаками способов размыва являются расположение гидромонитора относительно разрабатываемого уступа и приемы, используемые для отделения пород от целика, определяющие порядок размыва пород в забое.

_в = а  Н_у^-в. (1.6)

где а, в – эмпирические коэффициенты; Н_у – высота уступа, м.

Таблица 1.4

Коэффициенты способа размыва

Способ размыва пород	Категория пород	Коэффициент способа размыва
Размыв с верхней площадки уступа	-	1,3
Размыв с нижней площадки уступа	-	1
Размыв с предварительным увлажнением пород	от 3 до 4 от 5 до 6	0,1...0,3 1
Размыв с механическим рыхлением	4 5	0,3...0,4 0,2
Размыв с предварительным рыхлением взрывными работами	от 4 до 6	0,4...0,5

При размыве с верхней площадки уступа а=0,813, в=0,288. При размыве с нижней площадки уступа а=1,467, в=0,141.

Для размыва с предварительным увлажнением коэффициент высоты уступа находиться в пределах 0,6...0,8.

При размыве с механическим рыхлением, породы отделяют от целика бульдозером или экскаватором, образуя отвалы рыхлых пород. Напорной струей осуществляют только выгонку пород из отвала, вследствие чего удельный расход воды сокращается. Коэффициент высоты уступа для этих условий равен 0,8...0,9.

Для размыва с предварительным рыхлением взрывными работами (способ подготовки на практике имеет небольшое применение) коэффициент высоты уступа равен 0,9.

Коэффициент трудоемкости перемещения пород

V_в = _с  _у  _вг , (1.7)

где _с - коэффициент системы разработки; _у - коэффициент уклона; _вг - коэффициент способа выгонки пород.

Главным отличительным признаком гидравлических систем разработки является порядок перемещения очистных выработок (забоев), который оказывает влияние на использование ударной силы струи и эффективность перемещения пород от забоя к основным транспортирующим устройствам. По этому признаку различают: системы с попутным, встречным, боковым, веерным и комбинированным забоем (рис. 1.4, 1.5). Подчиненным отличительным признаком системы является направление перемещения забоя относительно восстания долины - продольная или поперечная, или относительно главного подъемного устройства - веерная или полувеерная.

Таким образом, различают следующие системы гидравлических разработок: с попутным забоем (попутно-продольная; попутно-поперечная; попутная с отступающим забоем); со встречным забоем (встречно-продольная; встречно-поперечная); с боковым забоем (боковая продольная; боковая поперечная); веерная (с полным веером; с полувеером); комбинированная.

Рис. 1.4. Системы гидравлической разработки месторождений:

а – попутным забоем; б – попутно-отступающим забоем; в – встречным забоем: 1 – уклон основания рыхлых отложений; 2 – границы забоев; 3 – нарезная канава

Рис. 1.5. Системы гидравлической разработки месторождений:

а – с боковым забоем; б – веерная: 1 – уклон основания рыхлых отложений; 2 – шарнир

Система разработки должна при наименьших объемах работ по проходке нарезных канав обеспечивать: наименьшие удельные расходы воды на размыв; наименьшие объемы работ по уборке валунов и перестановке оборудования; небольшие потери полезного ископаемого. Производительность оборудования разреза по промываемым грунтам при выбранной системе разработки должна быть максимальной, а себестоимость очистной выемки - минимальной.

Система гидравлической разработки месторождений с попутным забоем сокращают расход напорной воды на выгонку, целесообразно применять при мощности отложений до 10…15 м (в приведенных вариантах расчета гидромониторы устанавливают с одной стороны нарезной канавы). Система гидравлической разработки с попутно-отступающим забоем применяется при мощности отложений до 5 м. Система гидравлической разработки с встречным забоем увеличивает расход напорной воды на выгонку, целесообразно применять при мощности отложений более 15 м. Система гидравлической разработки месторождений с боковым забоем сочетает преимущества встречного и попутного забоев, а веерная - позволяет отрабатывать отложения со сложным направлением уклонов основания, но сложна в организации работ.

Одинаковые направления напорной струи гидромонитора и потока транспортируемой от забоя пульпы в системах с попутным забоем обеспечивают минимальную трудоемкость перемещения пород (табл. 1.5), а противоположное направление в системах со встречным забоем – максимальную.

Таблица 1.5

Значения коэффициентов системы разработки

Система разработки	Коэффициент системы разработки
С попутным забоем	1
Со встречным забоем	1,9
С боковым забоем и веерным забоем	1,3

Коэффициент уклона определяют по формуле

_у = с / (100  i) + е, (1.8)

где с, е – эмпирические коэффициенты; i - уклон поверхности смыва (i = 0,015...0,060 в зависимости от состава размываемых грунтов, см. табл. 1.6). Направление ведения горных работ (продольное или поперечное) выбирают по значению максимального уклона и в случае если он больше или равен значениям, приведенным в табл. 1.6, его принимают в дальнейших расчетах. При меньших значениях, с целью обеспечения эффективной выгонки гидросмеси из забоя, организуют недомыв.

Таблица 1.6

Минимальные уклоны при самотечном гидротранспортировании пород

Характеристика транспортируемых пород	Уклон лотков	Уклон канав, поверхности смыва
Глинистые, лёсс, супесь, суглинки, торф	0,015...0,025	0,020...0,030
Песок: - мелкий	0,025...0,030	0,030...0,040
- средний	0,030...0,035	0,040...0,050
- крупный	0,035...0,050	0,050...0,060
Песчано-гравийная смесь	0,050...0,060	0,050...0,060

Для системы разработки попутным забоем и размещением гидромониторов на нижней площадке уступа, а также для системы разработки со встречным забоем, для систем разработки с боковым и веерным забоем - с=0,404, е=0,566. Для системы с попутно-отступающим забоем и размывом с поверхности с=0,186, е=0,758.

Коэффициент способа выгонки пород при использовании только напорной струи гидромонитора _вг = 1, а при применении бульдозера и напорной струи гидромонитора _вг = 0,2...0,4.

Коэффициент способа перемещения при использовании напорной струи _вг = 1, а при применении бульдозера и напорной струи _вг = 0,2...0,4 .

Расчетные значения удельного расхода воды необходимо проверить с нормативными данными (табл. 1.7 и 1.8). Выбирается большее значение.

Таблица 1.7

Нормированные показатели удельного расхода воды и напора по ЕНВиВ

Категория	Наименование горных пород	Удельный расход воды* (м³/м³) при уклоне:			Рекомендуемый напор воды, м
		≤0,03	>0,03	Минимально необходимый		Оптимальный
1	Глина сухая, рыхлая в отвалах. Лесс рыхлый, влажный песок разной зернистости. Супесь рыхлая (легкая). Торф. Торф и растительный слой без корней.	8,0	6,4	20		30-45
2	Гравий. Суглинок легкий лессовидный. Торф и растительный слой с корнями или с небольшой примесью мелкой гальки и щебня. Супесь средняя.	11,8	9,4	25		40-65
3	Галька размером 10-40 мм. Глина мягкая, жирная. Песчано-глинистые породы. Дресва. Суглинок тяжелый. Супесь тяжелая. Щебень различных размеров. Лед.	14,7	11.8	40		50-80
4	Галька размером 41-100 мм. Глина сланцевая, моренная. Галечно-щебенистые породы, связанные глиной. Песчано-глинистые породы с включением гальки, щебня и валунов. Суглинки тяжелые с примесью щебня.	18,7	15,0	50		70-100

Продолжение таблицы 1.7

5	Мерзлые породы Ι-ΙΙ категории. Песчаные породы, слабо сцементированные песчано-глинистым цементом. Конгломераты осадочных пород. Мергели.	22,5	18,0	60	90-120
6	Мерзлые породы ΙΙΙ-V категории.	Размывать не рекомендуется

*Примечание. Нормы удельного расхода воды установлены для размыва боковым и встреч­ным забоем с установкой гидромонитора на плотике, для других случаев размыва удельный расход воды умножать на поправку: 0,9 - для попутного забоя с гидромонитором на плотике; 1,15 - для попутного забоя с гидромонитором на верхней площадке уступа; 1,11 - при нали­чии валунов (+200 мм) более 10 % от общего объема горной массы; 1,18 - при наличии ста­рых горных выработок с забутовкой деревянной крепью; для зачистки плотика - в зависимости от степени его закарстованности в процентах:

Степень закарстованности,%	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Поправка	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0

Таблица 1.8

Нормирование удельного расхода воды на размыв пород россыпных

месторождений по методу НТП-76

Категория пород по:			Удельный расход воды, м³/м³
шкале ЕКГП	трудности размыва гидромонитором	Способ транспортирования породы
		Безнапорный									Напорный
		Уклон плотика ≥0,03					Уклон плотика <0,03
		Высота уступа, м:									Гидроэлеваторами		Землесосами
		До 5		5-15	Свыше 15	До 5		5-15	Свыше 15
Ι	1	5,0		4,5	3,5	9,0		8,1	6,3	10,8		8,0
	2	6,0		5,4	4,0	10,8		9,7	7,2	13,0		10,0
ΙΙ	3	7,0		6,3	5,0	12,6		11,4	9,0	15,1		11,0
ΙΙΙ	4	9,0		8,1	7,0	16,6		14,4	12,6	19,2		13,0
ΙV	5	12,0		10,8	9,0	21,6		19,5	16,2	26,0		14,0
V	6	14,0		12,6	10,0	25,2		22,7	18,0	30,2		16,0

Примечания.

1. Увеличение расхода воды на зачистку плотика принимать умножением на повышаю­щий коэффициент аналогично табл. 1.5.

2. При наличии валунов размером +200 мм удельный расход увеличивать делением на следующие коэффициенты: 0,9 при выходе до 2 %; 0,8-0,85 - при выходе валунов от 2 до 5 %; 0,75-0,8 - при выходе более 5 %

3. Мерзлые породы I и II категории нормировать по III категории, III по IV и т.д.; для мерзлых пород V категории принимать удельный расход выше указанного в таблице на 20 %.

Гидравлический расчет гидромониторов предусматривает расчет расхода воды у насадки гидромонитора, скорости вылета струи из насадки и ее диаметра, а также рабочего напора у насадки гидромонитора.

Секундный расход воды у насадки гидромонитора (м³/с):

а) при отбойке пород

Q^о_с = W_г  a₁ / (3600T) ; (1.9)

б) при выгонке пород

Q^в_с =W_г  a_{2 .}/ (3600T) , (1.10)

где W_г - суточная производительность предприятия по породе, м³; Т - чистое время работы гидромонитора в течение суток, ч.

Величина W_г определяется по данным приложения 1.1 с учетом фактического времени использования гидроустановок во времени (табл. 1.9). Для гидроустановок, эксплуатируемых при разработке россыпных место­рождений, коэффициент использования во времени рекомендуется принимать в пределах 0,7-0,85.

Чистое время работы гидромонитора в течение суток

Т = n · t_см · k_и,

где n – число рабочих смен в сутках; t_см - продолжительность смены, ч; k_и - коэффициент использования гидромонитора во времени.

Таблица 1.9

Коэффициент использования гидроустановки во времени

Вид работы	Коэффициент
Сброс пульпы в водоем или отвал без устройства обвалования Укладка грунта в отвал с устройством обвалования или в подводную часть сооружения (штабелей) или намыв свободным откосом Намыв широкопрофильных частей сооружений (штабелей) или площадей Намыв узкопрофильных частей сооружений (штабелей)	0,95 0,9 0,85 0,75

В работе учитывать сброс пульпы в водоем или отвал без устройства обвалования.

Скорость вылета струи из насадки (м/с) рассчитываем по формуле

V_с =  , (1.11)

где  - коэффициент скорости, g - ускорение свободного падения, м/с².

Коэффициент скорости находится в пределах 0,92...0,96 и зависит от плавности перехода и качества обработки внутренней поверхности насадки. В расчетах принимаем в первом приближении значение коэффициента скорости 0,94.

Расчетный диаметр насадки (м):

а) на отбойку породы

D = 0,55  ; (1.12)

б) на выгонку породы

D = 0,55  . (1.13)

При выборе марки гидромонитора (прил. 1.3) необходимо руководствоваться сле­дующими положениями:

- поскольку в решаемой задаче не требуется использо­вание экономических критериев, выбор гидромонитора производится по вели­чине его производительности по воде. При этом не нужно стремиться к обеспе­чению заданного расхода воды одним гидромонитором. Надо иметь в виду, что в прил. 1.3 указано ориентировочное значение максимально возможной произ­водительности, которая очень существенно меняется в зависимости от диамет­ра насадки и рабочего напора воды;

- если расчетный диаметр насадки не соответствует стандартным диаметрам выбранного гидромонитора, выбирают два и более других марок по параметрам суммарного водопотребления и площади поперечного сечения насадок.

Используя стандартные диаметры насадок (прил. 1.4) выбранного гидромонитора, определяем действительный рабочий напор у насадки гидромонитора (м):

а) на отбойку пород

H^о_д = 0,55⁴  Q^о_с² / D⁴ ; (1.14)

б) на выгонку пород

H^в_д = 0,55⁴  Q^в_с² / D⁴ . (1.15)

Расчетные значения напора воды H^о_д необходимо проверить с нормативными данными (табл. 1.7 и 1.8). Если нормативное значение больше меняют насадку или тип гидромонитора.

Действительная скорость вылета струи из насадки (м/с) определяется по формуле

V_д =   . (1.16)