Канавы для перемещения размытых пород самотеком

16.06.2018
Перемещение размытых пород от забоя к промывным установкам осуществляется самотеком под уклон или с подъемом; для этого используют специальное подъемное оборудование.

Перемещение размытых пород самотеком широко используют в призабойных частях для доставки под уклон от забоя к землесосу или к выносным канавам на расстояние до 30—100 м. Пески по выносным канавам перемещают самотеком для подачи их к промывным установкам и далее в отвал на расстояние до 2 км.

Перемещение пород самотеком стоит дешево, когда соблюдаются условия движения потока, при котором канава не засоряется, а устранение завалов производится быстро. Канавы засоряются от оседания на дно наиболее крупных кусков, булыжника. Перемещение гальки водным потоком начинается тогда, когда при повышении скорости потока давление его на боковую (лобовую) поверхность, обращенную навстречу потоку, преодолевает сопротивление движению и инерцию гальки. При этом галька располагается навстречу движению потока наименьшей лобовой поверхностью. Сначала начинает перемещаться наиболее окатанная галька, перекатываясь по дну. С повышением скорости потока плохо окатанная и плоская галька начинают скользить. Мелкозернистые породы начинают перемещаться, перекатываясь при значительно меньших скоростях потока, чем галька. Турбулентный лоток устанавливается при числе Рейнольдса Re 580. При таком режиме в придонной части от соприкосновения со дном возникают значительные восходящие вихревые потоки. Под воздействием вихрей мелкие зерна приподнимаются и перемещение их переходит в скачкообразное движение, а когда давление восходящих потоков преодолеет силу тяжести, зерна начнут перемещаться во взвешенном состоянии. Восходящие вихревые скорости составляют только 0,05—0,2 горизонтальной скорости потока, поэтому взвешивание крупной гальки затруднено и может произойти при очень больших скоростях.

Для зерен определенного размера, формы и удельного веса во время перемещения их водным потоком необходимо различать две скорости: скорость начала движения (трогания) зерна и скорость взвешивания зерна в водном потоке (критическая скорость). Решающее влияние на начальную и критическую скорости оказывает размер и форма зерен. Для перемещения валунов необходимы большие скорости, угловатые камни для переноса требуют больших скоростей, а плитняк перемещается только при очень высоких скоростях.

Самотечный транспорт пород, содержащих кроме песка и глины гальку, булыжник и валуны, происходит при перемещении мельчайших и мелких зерен во взвешенном состоянии, зерна средней крупности передвигаются скачкообразно, а наиболее крупная галька перекатывается или скользит по неровному дну канавы. Во время перемещения мельчайшие глинистые частицы образуют с водой однородную смесь повышенного удельного веса (суспензию), в которой находятся отдельные крупные зерна размером до 2— 450 мм, проявляющие склонность к быстрому выделению из потока и осаждению на дно. Мельчайшие частицы движутся со скоростью потока. Более крупные зерна переносятся со скоростью, меньшей скорости потока, наиболее медленно, с отставанием от потока перемещается крупная и плоская галька. Поэтому в различных частях потока изменяется насыщенность его твердыми частицами, а также и удельный вес потока.

При установившейся скорости движения гальки давление потока на лобовую поверхность должно преодолеть все сопротивления, за исключением сил инерции. Для крупной гальки и валунов основные сопротивления вызваны трением о дно. При определении этих сопротивлений и силы давления (для упрощения) не учитываются сопротивления от вихрей, в том числе вызванных обтеканием гальки, а также и изменения вязкости гидросмеси. В этих условиях имеется взаимосвязь между давлением потока на гальку и сопротивлениями ее движению:
Канавы для перемещения размытых пород самотеком

где S — площадь проекции лобовой поверхности гальки, обращенной навстречу потоку, на плоскость, перпендикулярную направлению его движения, м2;

v, vг — соответственно скорости потока и перемещения гальки, м/сек;

W — объем гальки, м3;

уг, уco — соответственно удельный вес гальки и однородного потока, т/м3;

Л — коэффициент запаса в давлении потока на гальку;

f — обобщающий коэффициент трения гальки о дно;

а — угол наклона канавы, пескопровода, град; при перемещении по канаве синус имеет отрицательный знак, при подъеме в гору по пескопроводу — положительный знак; g = 9,81 м/сек2.

Из этого уравнения взаимозависимость между скоростью потока и скоростью перемещения гальки при наклонном движении потока определяется упрощенным уравнением

где k — коэффициент удельного объема гальки, равный отношению объема W к площади проекции лобовой поверхности, т. е. поверхности гальки, обращенной навстречу потоку, на плоскость, перпендикулярную направлению движения потока, м; для шарообразной гальки k = W/S = 0,67 d; эллипсовидной с отношением полуосей e; 1:1, при e>1 k = 0,67 e d; кубообразной k = d; плоской (при соотношении сторон 1:2: 4) к — 4 d, при соотношении 1:4:16 k = 16 d; d — диаметр (толщина) гальки, м.

При самотечном перемещении угол наклона канавы мал, поэтому можно принимать угол и синус равными нулю.

Скорость потока, при которой может начаться перемещение гальки, определяемая из уравнения (121), наступит, когда скорость возрастет до величины, при которой vг будет несколько больше нуля, поскольку необходимо преодолеть инерцию.

Хорошо окатанная галька перемещается перекатыванием по дну, и обобщающий коэффициент трения f = 0,02—0,10. Плохо окатанная угловатая галька перемещается скольжением, коэффициент трения f = 0,3—0,4. При неровном дне канавы сопротивления увеличиваются, поскольку гальку необходимо приподнять. Эти сопротивления могут быть учтены условно, принимая коэффициент трения равным не более 1.

Коэффициент удельного объема гальки определяет влияние формы и размеров гальки на величину давления, которое может оказывать на нее поток.

Коэффициент запаса в давлении потока принимают Л = 1,05—1,10, поскольку не учтены сопротивления вихревых потоков, неравномерность движения и необходимость в отдельных случаях преодолевать инерцию.

Во избежание засорения канавы необходимо, чтобы расстояние между перемещаемыми валунами было достаточно велико, т. е. не менее 4—6-кратного размера их наибольшего поперечника. Исходя из этого положения, можно определить необходимую скорость перемещения валунов по канаве vг по уравнению

где е — коэффициент неравномерности распределения валунов в породе, e = 1,2—3,0;

l — наименьшее допускаемое расстояние между валунами, м;

n = Qp/60W — среднее число валунов, проходящее по канаве в минуту;

Q — производительность канавы в м3 породы в целике за 1 ч;

р — коэффициент содержания валунов в породе;

W — объем валуна, м3;

е — коэффициент расположения валунов по ширине канавы; при ширине основания b>4b можно предусматривать перемещение валунов по канаве в два ряда и принимать е = 2, а при меньшей ширине е = 1.

Взвешивание песчинок крупностью 0,05—0,5 мм происходит при скорости потока 2,5 м/сек, в то время как перемещение этих Частиц по дну начинается при скорости 0,15—0,2 м/сек.

Скорость потока, при которой происходит взвешивание крупной гальки, велика и нет необходимости ее выдерживать, поскольку на россыпях галька в определенной степени окатана и успешно перемещается перекатыванием.

Рассчитывать самотечное перемещение разжиженных песков на россыпных месторождениях следует исходя из начальной скорости перемещения крупной гальки, предусматривая запас в скорости потока, необходимый для перемещения их по неровному дну. Коэффициент запаса для плохо окатанной гальки следует выбирать в пределах, не превышающих отношения единицы к принятой величине коэффициента трения, при этом едва ли целесообразно его принимать более 1,5. При выборе коэффициента запаса необходимо также учитывать и практические возможности проведения канав с уклоном, при котором объем проходческих работ будет наименьшим. Заторы в канавах часто возникают от перемещения корневищ и валунов; следует запрещать направлять их в канаву.

Средние скорости потока, необходимые для перемещения гальки с удельным весом 2,65, приведены в табл. 28.

Скорость потока у дна ниже средней, поэтому среднюю скорость потока необходимо принимать на 10—15% больше необходимой.

Для бесперебойного самотечного перемещения разжиженных пород необходимо также поддерживать достаточную глубину потока. Крупная галька может передвигаться тогда, когда водный поток полностью покрывает ее и давит на всю лобовую поверхность. Во время перемещения галька может налечь одна на другую. Поэтому глубину потока принимают в зависимости от количества крупной гальки в размытых песках в 1,5—1,7 раза больше поперечника наиболее крупной гальки, направляемой в канаву.

Во избежание расплывания потока канаву проходят на 20—40 см глубже расчетной глубины потока.

При самотечном перемещении гидросмеси наблюдаются следующие явления: возникают вихревые потоки вследствие обтекания крупно-кусковатых пород, медленно перемещающихся по дну; глинистые частицы, образующие однородную смесь, несколько сдерживают вихри в верхней части потока; шероховатость дна возрастает вследствие осаждения плоской гальки и образования на дне отмелей. По этим причинам сопротивления движения гидросмеси по сравнению с сопротивлением движения потока чистой воды изменяются в зависимости от зернового состава. Влияние дополнительных сопротивлений на скорость потока учитывается введением поправочного коэффициента снижения скорости потока б или увеличением коэффициента шероховатости стенок (см. табл. 32). Поправочный коэффициент при перемещении глинистых пород с 30-кратным разжижением b = 0,98, а при 12-кратном разжижении b = 0,82.

Взаимозависимость между скоростью потока, уклоном канавы, шероховатостью стенок и секундным расходом воды определяется уравнениями Шези или наибольшей скорости потока [см. уравнение (135)].

Для успешного перемещения пород самотеком желательно, чтобы секундный расход воды был наибольшим [см. уравнение (135)], а шероховатость стенок канавы наименьшей. Поэтому при малых уклонах плотика приходится увеличивать количество воды, направляемое в канаву, или углублять в плотик хвостовую часть канавы, или направлять поток в металлические желоба, имеющие меньший коэффициент шероховатости. Количество воды в канаве увеличивают объединением потоков от нескольких гидромониторов в один или подводят к забою из речки безнапорную воду, что выгодно при вскрытии месторождения выносной канавой или канавой и котлованом.

На малокаменистых россыпях при мощности потока 1—1,2 м3/сек уклон канав (на уральских гидравлических разрезах) снижался до 0,15—0,017. В наиболее распространенных условиях разработки россыпей выносным канавам придают уклон 0,02—0,03, а при повышенной валунистости и при небольших расходах воды уклон увеличивают до 0,04—0,06. Успешное перемещение пород происходит тогда, когда поток не расплывается по плотику. Для этого следует как можно ближе подводить к забою канавы или щитовые заборы. Поэтому в начале выгонки пород в забое пробивают струей канаву в обрушенной породе, а затем в плотике. При большой длине канав рабочие разреза следят, чтобы не образовались заторы. При завалах в канаву направляют чистую воду и начинают разборку завала с нижней его части. Если уклоны канавы недостаточны, не следует направлять в нее валуны. В таких случаях их необходимо откидывать в сторону у забоя или выбирать корчевателем и размещать у бортов разреза на зачищенном плотике или вывозить на поверхность.

Расчет канавы наиболее удобно вести в следующем порядке. Зная секундный расход размытых пород и уклон плотика, находят скорость потока, его глубину, а затем и предельный диаметр гальки, которую можно направлять в канаву. Другие размеры канавы определяют для уклона, равного уклону плотика, при котором объем работ по проходке канавы будет наименьшим. Если подсчитанный диаметр гальки мал и требуется уборка в забое камня в значительном количестве, что будет стоить дорого, то производят пересчет канавы в обратном порядке, задаваясь предельным размером камня. Затем определяют объем и стоимость работ по проходке канавы с уклоном больше уклона плотика и сопоставляют варианты.

Для производительного перемещения пород самотеком подавать в канавы породу необходимо равномерно, чтобы не вызвать ее завала.

При расчете канав пользуются следующими уравнениями.

1. Глубина потока в канаве при заданной ширине основания и площади сечения

2. Глубина потока в канаве при наименьшем мокром периметре и заданной площади сечения

3. Мокрый периметр

4. Ширина основания канавы при наименьшем мокром периметре

5. Коэффициент Шези с при R < 1 м по уравнению Павловского

6. Скорость потока гидросмеси

где f — сечение потока, м2;

в — угол откоса стенок канавы, град;

n — коэффициент шероховатости;

R — гидравлический радиус, м;

b — коэффициент снижения скорости потока гидросмеси.