Расчет рабочих параметров грунтовых насосов

Для выполнения расчетов по грунтовым насосам необходимы следующие исходные данные: годовая производительность установки (карьера или участка) по породе; расстояние транспортирования; высота подъема гидросмеси; физико-механические свойства разрабатываемых пород (гранулометрический состав, пористость, плотность).
Часовая производительность, м3, гидроустановки (карьера или участка) по гидросмеси определяется по формуле

где Qт — производительность установки (карьера) по породе (твердому), м3/ч,

где W — годовая производительность гидроустановки по породе, м3; Nд — число рабочих дней в году; nсм — число рабочих смен в сутки; t — продолжительность смены, ч; m — пористость разрабатываемых пород, доли ед.; q — удельный расход воды в зависимости от группы разрабатываемых пород (см. табл. 7.6), м3/м3.
Необходимое число грунтовых насосов (землесосов) первого подъема (забойных):

где Qз — производительность землесоса по гидросмеси, м3/ч;

где Qx в — производительность землесоса по воде, м3/ч (по табл. 7.18—7.21); γг — плотность гидросмеси, т/м3 [по формуле (7,92)]; Кв — коэффициент использования землесосов в работе по времени.
Число гидромониторов на один забойный грунтовой насос с учетом одного резервного

где Nг — число рабочих гидромониторов, необходимых для разработки заданного объема пород [см. формулу (7.34)]. Ширина заходки, м, землесосной установки

где Aг — ширина заходки гидромонитора, м [см. формулу (7.29)].
Объем породы, м3, отрабатываемой с одной стоянки забойной землесосной установки,

где Hу — высота разрабатываемого уступа, м; аз — шаг передвижки забойной землесосной установки, м [см. формулу (7.31)].
Объем зумпфа, м3, землесосной установки

где nз — число землесосов, работающих из одного зумпфа; kз — коэффициент запаса объема (kз = 1,5).
Необходимое число подъемов (от забоя до гидроотвала) по трассе пульпопровода

где Hп — необходимый полный напор от зумпфа гидроустановки до выпуска гидросмеси на гидроотвале, м; Нз — напор грунтового насоса (землесоса) по гидросмеси, м,

где Нз.в — напор грунтового насоса по воде, м (см. табл. 7.18—7.21);

где hп — потери напора на подъем гидросмеси, м.

где Z — разность отметок выпуска на гидроотвале и оси грунтового насоса, м; γ0 — плотность воды, т/м3; hвс — потери напора на подъем во всасывающем трубопроводе грунтового насоса, м

Нвс — высота всасывания грунтового насоса, м; hвс — потери напора на трение во всасывающем патрубке (h'вс = 2 м); hi — потери напора на трение по длине трубопровода, м,

здесь L — длина трубопровода, м; iг — удельные потери напора при движении гидросмеси, м/м; hм — местные потери напора, принимаемые равными (0,05/0,1) hl, т. е. 5—10 % потерь напора по длине пульпопровода, м; hoc — остаточный напор на конце пульпопровода (hoc = 3 + 5 м).
Гидротранспорт по вертикальным трубам. Наклонные и вертикальные трубы встречаются на участках сопряжений плавучего и берегового трубопроводов при возведении плотин, дамб, насыпей, отвалов, при переходе трубопроводов через шоссейные дороги и железнодорожные пути, при укладке труб по борту карьера. На обогатительных фабриках гидросмесь (пульпа) транспортируется на небольшие высоты внутри помещений; в нефтяной промышленности глинистый раствор транспортируется по трубным системам на поверхности земли, нагнетается по бурильным трубам в буровые скважины вниз и поднимается по кольцевому межтрубному пространству, вынося разбуренную породу вверх иногда на несколько километров.
Имеют место вертикальные и наклонные трубы на подземных горных работах, где по вертикальным и наклонным стволам осуществляется гидроподъем добытого продукта (уголь) или спуск по трубам вниз закладочных материалов. В этих случаях вертикальные и наклонные трубопроводы имеют протяженность несколько сотен метров.
При рассмотрении кинематической структуры горизонтального потока гидросмеси была отмечена его асимметрия по отношению к горизонтальному диаметру трубопровода, заключающаяся в увеличении концентрации твердых частиц в нижних слоях потока и, следовательно, затормаживании нижних слоев по сравнению с верхними. Действительная плотность гидросмеси в горизонтальных трубах больше расходной плотности.
В вертикальных трубах с восходящим потоком, где поток гидросмеси симметричен, действительная консистенция гидросмеси больше расходной в результате стремления твердых частиц падать вниз. Поэтому разница между действительной и расходной консистенциями будет тем больше, чем крупнее или тяжелее твердые частицы и чем меньше средняя скорость восходящего потока.
Вследствие того что в центре потока скорость больше, чем у стенок трубы, возникает сила, отклоняющая частицы от стенок к центру. Эта сила не настолько значительна, чтобы способствовать заметному увеличению консистенции в центральной части трубы, но достаточна для того, чтобы отклонить твердые частицы от стенок. В результате у стенок создается жидкостный слой, иногда пробиваемый твердыми частицами, которые получают радиальное движение под действием турбулентного перемешивания конечных масс жидкости с содержащимися в них твердыми частицами. Это обстоятельство обусловливает приближенное равенство потерь напора на трение при движении гидросмесей с зернистой твердой составляющей по вертикальным трубам и при движении по ним чистой воды с тем же расходом.
В вертикальных трубах с нисходящим потоком частицы стремятся падать в направлении движения потока, поэтому действительная консистенция в таких трубах меньше расходной. Если твердые частицы, транспортируемые потоком воды по вертикальным трубам, имеют одинаковые размеры (равные гидравлические крупности), то они будут двигаться общим фронтом, не обгоняя одна другую. Если же твердые частицы разнородны по крупности, то мелкие частицы будут двигаться между крупными, что может обусловить неравномерность консистенции по высоте трубы.
Обязательным условием для восходящих потоков гидросмеси является превышение скорости гидросмеси над гидравлической крупностью перемещаемых частиц, т. е. Vг>Wст. Для восходящих потоков имеем

где Vв, Vг и Fтв — скорости движения воды, гидросмеси и твердого, м/с; Wст — скорость стесненного падения частиц (гидравлическая крупность), м/с.
А.П. Юфин отмечает, что потери напора на трение при движении гидросмесей в вертикальных трубах можно принимать равными потерям напора при движении чистой воды по гладким трубам, так как твердые частицы редко касаются стенок трубы. Между потоком, насыщенным твердыми частицами, и стенками существует жидкостный слой, который и определяет величину потерь напора на трение. Необходимо отметить, что эта оценка потерь напора на трение в вертикальных трубах приближенная. С одной стороны, твердые частицы под воздействием турбулентных пульсаций пробивают этот слой и касаются иногда твердых стенок, что способствует увеличению потерь напора при движении гидросмеси по сравнению с движением чистой воды. С другой стороны, твердые частицы в вертикальном потоке представляют собой своеобразную решетку, которая ламинизирует поток, в результате чего потери напора уменьшаются. Эти два фактора противоположны по знаку и в какой-то степени компенсируют друг друга, но ничто не свидетельствует об их равенстве, поэтому утверждение, что при вертикальном гидротранспорте потери напора на трение равны потерям при движении чистой воды по гладким трубам, является приближенным, приемлемым только для инженерных расчетов.
Потери напора на трение, м, в вертикальных трубах рекомендуется определять по формулам А.П. Юфина:
- для восходящих трубопроводов

- для нисходящих трубопроводов

где S — консистенция гидросмеси по объему, доли ед.; W — гидравлическая крупность частиц, м/с; V — скорость движения гидросмеси, м/с; g = 9,8 м/с2; D — диаметр пульпопровода, м.
Для нисходящих вертикальных пульпопроводов имеем

Необходимо иметь в виду, что если определена критическая скорость для горизонтального трубопровода, то для вертикального трубопровода того же диаметра эту скорость можно не проверять, так как она будет заведомо выше скорости Wст.
Гидротранспорт по наклонным трубам. Наклонные трубы в составе гидротранспортных установок встречаются чаще, чем вертикальные.
Движение гидросмеси по наклонным трубам отличается от движения гидросмеси по вертикальным и горизонтальным трубам, хотя между ними имеются и общие черты. В наклонных трубах, в отличие от вертикальных, наблюдается асимметрия в распределении скоростей и консистенции относительно горизонтального диаметра. По этому признаку наклонные трубы имеют сходство с горизонтальными.
Вопрос о заилении трубопроводов при гидротранспорте для наклонных труб оказывается более сложным, чем для горизонтальных. Если наклонные трубы имеют угол наклона больший, чем угол трения транспортируемого материала (в воде), то такие трубы совсем не заиливаются. Оседающий на дно труб твердый материал сползает по дну к основанию трубопровода, где вновь подхватывается потоком при достаточном напоре землесоса, а если землесос не располагает достаточным давлением, создается постоянная угроза закупорки наклонного трубопровода. Поэтому гидросистемы, имеющие наклонные и вертикальные участки труб, при остановках должны промываться чистой водой.
Задержка оседающего материала на дне наклонных труб начинается только тогда, когда угол наклона труб равен (вернее, несколько меньше) углу трения. Поскольку при этих, сравнительно малых углах наклона на твердые частицы действуют все факторы взвешивания, относящиеся к горизонтальным и вертикальным потокам, то критическая скорость в наклонных трубах будет меньше, чем в горизонтальных. В.В. Длоугий рекомендует принимать следующую критическую скорость в наклонных трубах:

где Vкр.г — критическая скорость в горизонтальном трубопроводе, м/с; α — угол наклона трубопровода, градусы.
Потери напора, м/м,

где iг — потери напора в горизонтальном трубопроводе по гидросмеси, м/ м; i0 — потери напора в горизонтальном трубопроводе по воде, м/м.