Основы теории размыва пород

16.06.2018
Струей воды отбивают породу в забое, а затем выгоняют, т. е. перемещают к подъемным установкам. Эти процессы взаимосвязаны, причем часто их производят одновременно. Поэтому, несмотря на то что условия работы струи при этих процессах различны, их целесообразно рассматривать совместно как общий процесс размыва пород.

Ударяясь о стенку забоя, струя снижает скорость до нуля, а затем частично отражается и растекается в стороны. Струя оказывает более высокое динамическое давление на забой у осевой части; ее действие на забой во многом тождественно внедрению клина. От этого образуются трещины, в которых от напора струи создаются более высокие гидравлические давления, способствующие отслаиванию частиц пород. Кроме того, вода увлажняет породу, снижает сцепление частиц и уменьшает ее крепость, способствуя разделению породы на отдельные зерна. Поток воды уносит отделившиеся частицы, облегчая разрушение массива. Поэтому породы начинают разрушаться при среднем удельном давлении струи, значительно меньшем временного сопротивления пород. Породы успешно размываются струей тогда, когда отношение сопротивления вдавливанию в породу плотномера к среднему удельному давлению водяной струи соответствует данным, приведенным в табл. 26.

Удар струи оказывает различное разрушающее воздействие на породы; так, песчаные породы успешно разрушаются при смачивании, для разрушения крепких глинистых пород необходимо значительное ударное воздействие. Процесс разрушения пород струей исследован недостаточно, поэтому основные закономерности могут быть выявлены лишь на основании общих соображений. Обозначим через К работу струи, которая требуется для отбойки 1 м3 породы в забое, а через P — эту же работу, но замеренную около насадки, т. е. совершаемую вылетающей из насадки струей. Взаимозависимость этих величин выразится уравнением

где P1 — работа в тм, затрачиваемая на отбойку 1 м3 породы у насадки, тс/м2;

К — работа в тм, затрачиваемая в забое на отбойку 1 м3 породы, тс/м2, т. е. действительная разрушающая нагрузка;

nс — к. п. д. струи;

а1 — удельный расход воды на отбойку 1 м3 породы, т;

H — напор около насадки, м.

Величина к. п. д. струи зависит от использования кинетической энергии для разрушения пород, от рассеивания струи и от способа отбойки. Исходя из этого, к. п. д. может быть выражен уравнением
Основы теории размыва пород

где nс — коэффициент использования кинетической энергии при разрушении пород;

р — коэффициент рассеивания энергии струи;

vз — коэффициент трудоемкости размыва забоя.

Породы начинают разрушаться тогда, когда струя оказывает удельное давление, достаточное для отделения частиц от целика. С повышением удельного давления до некоторого предела относительное использование кинетической энергии увеличивается, и разрушение происходит с наименьшим расходом энергии. Следует предполагать, что кривая, характеризующая использование энергии струи для разрушения, в точке перегиба пологая. Поэтому, хотя и необходимо стремиться вести разрушение при наивыгоднейших напорах, может оказаться целесообразным осуществлять размыв и при других напорах, если такие отклонения способствуют меньшей стоимости работ. Коэффициент использования энергии равен отношению работы, непосредственно затрачиваемой на разрушение пород в забое, к работе, совершаемой струей во время удара ее о забой. Его величина зависит от крепости пород и от напора около насадки, т. е. nи = f(H, К). При этом увеличение коэффициента использования повышает общий к. п. д. струи.

Коэффициент рассеивания энергии р равен отношению энергии удара струи о забой к энергии струи, вылетающей из насадки. Этот коэффициент зависит от величины напора, расстояния до забоя и качества струи, т. е. р = f (d, Н, l). С увеличением рассеивания уменьшается к. п. д. струи.

Технология отбойки пород в забое определяется углом встречи струи с плоскостью забоя, влияющим на величину удельного давления на поверхность забоя, а также числом плоскостей обнажения и способом отбойки, т. е. осуществляется ли предварительное рыхление пород или породы обрушаются в результате подрезки уступа. Коэффициент трудоемкости размыва забоя vз равен отношению работы, затрачиваемой на отбойку 1 м3 пород в среднем по всему забою, к работе, которую необходимо затратить на разрушение единицы ее объема в плотном теле. Величина его зависит от способа отбойки породы и с уменьшением трудоемкости отбойки она снижается, а следовательно увеличивается общий к. п. д. струи.

Решаем уравнение (114) относительно удельного расхода воды а1, подставляем в него уравнение коэффициента полезного действия струи и приводим к виду

где р1 — коэффициент работы по отбойке, тм0,5.

По отдельным исследованиям выявлено, что степенной показатель n равен 0,4—0,7. Принимаем в первом приближении его равным 0,5.

Коэффициент работы по отбойке зависит от крепости пород; он пропорционален работе, затрачиваемой на отбойку 1 м3 породы; в табл. 27 приведены его значения, вычисленные на основании отдельных наблюдений.

Коэффициент трудоемкости размыва забоя зависит от применяемого способа размыва пород и от высоты забоя. Так, при размыве пород с подрезкой уступа у плотика значительная работа затрачивается на подрезку. Объем подрезки уменьшается с увеличением высоты уступа. Уменьшение работы происходит до определенной высоты уступа, после чего начинает возрастать, так как с увеличением высоты уступа гидромонитор приходится располагать дальше от забоя, благодаря чему рассеивание струи увеличивается. Влияние этих особенностей на коэффициент трудоемкости размыва забоя учитывается коэффициентом способа размыва eр и коэффициентом высоты уступа ев в следующем уравнении:

Значения этих коэффициентов приводятся при изложении способов размыва пород.

Напорной струей, которой производят отбойку породы, стремятся переместить породу в канаву для подачи ее самотеком к землесосу. Размытые породы у забоя расплываются по поверхности и не всегда удается создать водный поток достаточной глубины для перемещения всех частиц самотеком. Поэтому мелкие частицы от забоя перемещаются потоком отработанной (отбойной) воды, а более крупные проталкиваются напорной струей. Для этого гидромонитор переключают на выгонку пород, используя дополнительную напорную воду. Расход воды в этом случае зависит в основном от крупнозернистости пород, т. е. от наличия в них гальки и валунов, их размеров и формы, а также от уклона поверхности смыва. Кроме того, этот расход зависит от степени использования струи, производящей отбойку, для перемещения пород от забоя, что определяется системой гидравлических разработок. При высоком напоре и большом расходе воды проталкивание валунов производится быстрее и выгонка пород происходит успешнее, поэтому удельный расход воды снижается.

Работа, затрачиваемая около насадки на выгонку пород,

Удельный расход воды на выгонку определяется по уравнению

где р2 — коэффициент работы по выгонке, тм 0,25;

vв — коэффициент трудоемкости перемещения пород.

На основании наблюдений, степенной показатель m находится в пределах 0,25—0,33, т. е. при увеличении напора расход воды на выгонку уменьшается в меньшей степени, чем удельный расход на отбойку породы. Принимаем в первом приближении m = 0,25.

Коэффициент работы по выгонке р2 зависит от размера наиболее крупных кусков перемещаемой породы, их количества и окатанности. В табл. 27 приведены значения коэффициента р2 для шести различных групп пород.

Коэффициент трудоемкости перемещения пород учитывает влияние уклона поверхности смыва, системы разработки и способа выгонки, определяющего приемы перемещения пород, например, только напорной струей или совместно с бульдозером. Его величина равна произведению коэффициента уклона te, коэффициента системы разработки ec и коэффициента способа выгонки tвг и определяется по уравнению

Величины этих коэффициентов приводятся при изложении систем разработок.

После выгонки пород производят зачистку плотика для наиболее полного извлечения богатых песков, залегающих на плотике и в его трещинах. Напорной струей размывают верхнюю разрушенную часть плотика, отделяют от него дресву и отдельные куски и совместно с богатыми песками перемещают к приямку. При этом совмещают отбойку и выгонку пород; поэтому изменение напора оказывает на удельный расход воды промежуточное влияние между отбойкой и выгонкой. Кроме того, расход воды на зачистку, приходящийся на единицу -общего объема размываемых пород, зависит и от мощности слоя, на которую зачищается плотик, а также от мощности размываемого уступа россыпи. Исходя из этих положений, удельный расход воды на зачистку плотика определяется по уравнению

где рз — коэффициент работы по зачистке плотика, тм 0,33;

vп — коэффициент трудоемкости зачистки плотика;

mу = Z+0,2/Hp — удельная мощность зачистки плотика;

Z — глубина зачистки плотика, м;

Hp — мощность отрабатываемого уступа россыпи, м.

Коэффициент работы по зачистке плотика рз зависит от степени разрушенности плотика (крепости его пород), крупности и формы отделяемых кусков. В табл. 27 эти свойства плотика подразделены на пять групп.

Коэффициент трудоемкости зачистки плотика р учитывает влияние уклона плотика, способа его зачистки, т. е. производится ли зачистка напорной струей или бульдозером, а также' системы разработки; он равен произведению коэффициента уклона еу, коэффициента способа зачистки е3 и коэффициента системы разработки ес:

Величины этих коэффициентов приведены при описывании систем разработки.

Общий удельный расход воды на отбойку, выгонку и зачистку плотика определяется по уравнению

Данное уравнение учитывает влияние особенностей технологии размыва пород в очистном забое на удельный расход воды и поэтому является универсальным. С его помощью можно выявить влиянии изменения отдельных разновидностей технологии по размыву пород, на важнейший показатель гидравлических работ — удельный расход воды. Необходимо иметь в виду, что по этому уравнению удельный расход может быть установлен приближенно, поскольку исходные коэффициенты, приведенные в табл. 27, установлены на основании отдельных опытных работ, не связанных между собой единой методикой наблюдений. Поэтому значения этих коэффициентов должны быть уточнены на основании единообразно проведенных новых наблюдений.

Для определения удельного расхода воды существуют также нормы, разработанные Главзолотом в 1937 г., ЦНИГРИ в 1961 г. и Единые нормы и расценки Комитета по делам строительства в 1964 г. Эти нормы составлены для различных условий и не учитывают многие особенности процесса размыва пород, влияющие на удельный расход воды. Поэтому эти нормы соответствуют действительным в определенных средних условиях разработки. На рис. 88 приведены все перечисленные нормы в сокращенном виде, при этом расположение удельного расхода в таблице по масштабу увязано с категориями пород и их коэффициентом крепости.

Образующиеся после размыва разжиженные породы из-за большого удельного расхода воды представляют легкоподвижную водопородную смесь, имеют несколько большую вязкость и удельный вес по сравнению с водой. Разжиженная порода или гидросмесь (раствор, пульпа) по количеству находящейся в ней воды и твердых частиц характеризуется степенью разжижения пород, или консистенцией (концентрацией) гидросмеси.

Отношение объема воды, смешанной с породой, к объему размытых пород в целике определяет разжижение пород а.

Консистенция гидросмеси uк равна отношению объема пород в целике к объему воды, с которой смешана порода. Различают консистенцию твердой части пород, которая равна отношению объема пород за вычетом пор к объему воды, весовую консистенцию, мгновенную и др.

Удельный вес разжиженных пород уc с учетом пористости определяется уравнением

где уп — объемный вес размываемых пород в целике, т/м3;

u — пористость;

а — степень разжижения пород или удельный расход воды на размыв, т/м3.

Пористость зависит от зернового состава пород и для песчаноглинистых речников u = 0,1—0,35.

При разработке россыпей удельный вес размытых пород (гидросмеси) уc = 1,03—1,10 т/м3; на вскрышных работах он увеличивается до 1,3 т/м3.

На основании теоретических расчетов невозможно с достаточной точностью установить удельный расход напорной воды, поэтому после пуска гидравлического разреза необходимо проводить наблюдения за размывом пород для установления действительных норм расхода воды.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: