Выбор грунтозаборного устройства земснаряда

К конструкции грунтозаборных устройств предъявляются следующие требования:
• максимальная простота и вместе с тем возможность эффективной разработки определенной группы грунтов, встречающихся в пределах одного объекта;
• обеспечение оптимальной подачи установленного на земснаряде грунтового насоса;
• возможность разработки грунта на данной глубине.
В зависимости от горно-геологических условий работы землесосных снарядов и требований к глубине и профилю выполняемой выемки грунтозаборные устройства должны обеспечить разработку сыпучих грунтов с прослойками плотных илов и суглинков, отбор негабаритных включений, размер которых превышает размер проходных сечений деталей проточной части грунтового насоса, связных плотных, слежавшихся пластичных и налипающих грунтов и т. д.
Имеющийся в арсенале гидромеханизаторов набор различных грунтозаборных устройств позволяет разрабатывать почти все виды грунтов до слабой трещиноватой скалы включительно.
При выборе вида грунтозаборного устройства для земснарядов руководствуются двумя основными факторами, определяющими эффективность их применения, — глубиной разработки и видом разрабатываемого грунта.
Несвязные грунты эффективно разрабатывать всасывающими трубами до определенной глубины: пески мелко- и среднезернистые — до глубины 10—15 м, крупнозернистые пески и гравийные грунты — до 9—12 м. Для разработки несвязных грунтов с больших глубин (13—20 м и более) применяют эжектирующие устройства или погружные грунтовые насосы.
При разработке несвязных грунтов с прослойками плотных илов или суглинков всасывающую трубу доукомплектовывают гидравлическим рыхлителем, а при наличии в карьере крупных камней и древесных остатков — сменным щелевым наконечником.
Связные грунты разрабатывают механическими рыхлителями, конструкция которых для обычных строительных землесосных снарядов позволяет вести работу на глубине 6—12 м.
Наиболее распространены фрезерные рыхлители, режущим органом которых являются фрезы различных типов, приспособленные для разработки плотных слежавшихся, а также пластичных налипающих грунтов.
Особую группу представляют роторно-ковшовые рыхлители с бункером. Их конструкция предусматривает не только механическую разработку грунта, но и равномерную подачу его в специальный бункер, в котором происходит организованное образование пульпы.
Ввиду того что конструкции и расчеты отдельных устройств достаточно хорошо освещены в горной литературе, ограничимся общими рекомендациями.
При проектировании разработки грунта земснарядом особое значение имеет выбор грунтозаборного устройства, от чего в значительной степени зависит производительность всего комплекса работ.
По характеру воздействия на разрабатываемый грунт и конструктивным признакам грунтозаборные устройства подразделяют на две основные группы: непосредственное всасывание с эрозийным размывом грунта потоками воды, подтекающей к всасывающему наконечнику, и всасывание с использованием различных устройств для интенсификации грунтозабора (табл. 10.19).

Эффективность работы землесосного снаряда зависит в значительной мере от правильного выбора грунтозаборных устройств. Вид и конструкция грунтозаборного устройства зависят от физико-механических свойств грунта (гранулометрический состав, липкость и т. д.), горно-геологических условий и характера залегания (мощность полезной толщи, высота уступа, глубина разработки и т. д.) (табл. 10.20).

Непосредственное всасывание с эрозийным размывом грунта. Разработка пород свободным всасыванием с самообрушением забоев несвязных (сыпучих) песчаных и песчано-гравийных грунтов, песков, легких супесей, поддающихся эрозии (размыву) при невысоких размывающих скоростях, осуществляется простейшим грунтозаборным устройством — всасывающей трубой с наконечником.
Всасывающие наконечники в зависимости от формы и сечения приемного отверстия подразделяют на цилиндрические, конические (раструбные) круглого и эллиптического сечений, щелевые, эжекторные, а также грушевидные. Для облегчения заглубления в грунт наконечники устанавливают под углом 15—20° к оси всасывающей трубы. Для уменьшения гидравлических потерь площадь приемного наконечника должна быть больше площади сечения всасывающей трубы в 1,5—1,7 раза.
При разработке несвязных песчаных грунтов без крупных включений используют конические и цилиндрические наконечники, при засоренности грунтов негабаритными включениями — эллиптические и щелевые. Высота щели должна быть на 10—15 мм меньше проходного сечения грунтового насоса. При засорении твердыми включениями наконечники перекрывают защитными решетками, при включениях растительного происхождения (корневища, древесина) устанавливают корнерезки. Рекомендуемая скорость папильонирования 3—8 м/мин.
Конические наконечники имеют широкое применение благодаря малым размерам и массе, простоте и доступности изготовления в полевых условиях.
Грушевидный наконечник имеет обтекаемую форму в соответствии с криволинейной траекторией движения подтекающих струй воды в зоне всасывания, чем достигается уменьшение потерь напора при входе гидросмеси в наконечник, повышение всасывающей способности земснаряда на 1,5—2 м и его производительности.
По мере разработки грунта в зоне наконечника скорость всасывания и соответственно производительность земснаряда резко снижаются. Для обеспечения непрерывности грунтозабора расстояние от наконечника до забоя должно быть не больше предельного, соответствующего размывающей скорости, — минимальной скорости всасывания, при которой начинают отрываться частицы грунта.
Размывающие скорости Vр, м/с, для грунтов при свободном всасывании в подводных условиях должны быть следующими.

Это достигается за счет непрерывного папильонирования с целью сохранения оптимального расстояния между наконечником всасывающей трубы и грунтом и контролируется производительностью земснаряда. Предельная скорость папильонирования земснаряда при разработке песка и гравия свободным всасыванием составляет 12—15 см/с (7—9 м/мин).
Глубина зоны всасывания больше при разработке легких песчаных грунтов, меньше — при тяжелых и глинистых грунтах. Практически зона всасывания не распространяется более чем на 1 м.
Диаметр приемного отверстия, м, наконечника всаса

где Qр — расчетная производительность земснаряда по пульпе, м3/с; n = Vвс/Vp — показатель относительной скорости всасывания (для песчаных и гравийных грунтов n = 2); Vвс — скорость всасывания, м/с.
Длина, м, конического всасывающего наконечника

где dвс — диаметр всасывающей трубы, м; α — угол конусности (сужения) наконечника (обычно α = 10/15°).
При работе на песках, легких супесях и песчано-гравийных грунтах с небольшим содержанием мелкого гравия для увеличения глубины разработки всасывающую трубу наращивают до длины 20 м и более. Ho с увеличением глубины разработки снижается консистенция пульпы и производительность земснаряда.
Гидравлическая подготовка пород к выемке. Подводную разработку слабоуплотненных слежавшихся гравелистых песков и песчано-гравийных грунтов при наличии прослоек суглинков ведут свободным всасыванием с помощью гидравлических рыхлителей, работающих по принципу гидромонитора. Они совмещены с всасывающим наконечником и осуществляют разработку грунта по схеме размыва и обрушения.
Известны два подводных способа рыхления грунта: поверхностный и глубинный. Обычно применяют поверхностный размыв грунта, используя энергию напорной затопленной струи воды гидравлического рыхлителя. Угол расширения струи в водной среде 10—16°. Размывающая скорость воды зависит от вида и состояния грунта.
Размывающие скорости Vрп, м/с, для подводного размыва грунта должны быть следующими.

По конструкции гидравлические рыхлители разделяют на одно- и многонасадочные. Наибольшее применение имеют гидравлические рыхлители с одной-тремя насадками, располагаемыми по отношению к всасывающему наконечнику следующим образом: одна насадка — сверху (снизу), две насадки — по бокам, три насадки — две по бокам, одна — сверху на размыв или на инжектирование путем врезки во всасывающий пульпопровод. Насадки располагают впереди всасывающего наконечника на 150—250 мм с разворотом в сторону на 10—20°. Распространенные диаметры насадок 55, 60, 66, 75 и 80 мм.
Для водоснабжения гидравлических рыхлителей обычно применяют насосы Д630-90, Д1250-65, Д1600-90 и Д2500-62.
При эксплуатации гидравлического рыхлителя следует строго учитывать расстояние между насадкой и забоем. В спокойной воде на расстоянии 1 м от насадки диаметром 80 мм скорость струи уменьшается в 5 раз, при диаметре 50 мм — в 8 раз. Удельная кинетическая энергия струи с удалением от забоя резко падает, на расстоянии 0,5 м она уменьшается в несколько раз, а на расстоянии 1,5 м ее действие практически ничтожно. Поэтому насадки должны быть приближены вплотную к забою.
Разработка грунта с применением эжекторных устройств. Для интенсификации грунтозабора и увеличения глубины разработки до 25—30 м при рыхлении несвязных грунтов с прослойками или глин применяют гидравлические эжекторные устройства. Их устанавливают на всасывающей трубе в виде насадок, это создает в ней дополнительный напор и увеличивает разрежение на 3—6 м, что повышает всасывающую способность грунтового насоса и производительность земснаряда, исключает кавитацию и срыв вакуума, увеличивает глубину разработки.
Эжекторное грунтозаборное устройство с центральной насадкой применяют на земснарядах 180-60 и 300-40М для эжектирования и гидравлического рыхления грунта (табл. 10.21, в качестве примера).
Насосные агрегаты устанавливают на раме рыхлителя. Вода по трубопроводу подается к эжекторному наконечнику с центральной насадкой, который является приставкой к всасывающей трубе. Центральная (передняя) насадка предназначена для подачи напорной воды на гидрорыхление грунта, задняя — на эжектирование увеличения всасывающей способности грунтового насоса. Насадки сменные.

Эжекторы центрального типа имеют простую конструкцию, наименьшие потери напора в насадках, стабильность параметров струи рабочей воды.
Кольцевые эжекторы обладают компактностью и жесткой конструкцией, что позволяет напорно внедрять наконечник в грунтовой массив. Однако они имеют и большие потери напора рабочей воды в кольцевой щели (коэффициент скорости истечения для кольца не более 0,85, для круглого сопла — 0,93—0,97). Многонасадочные эжекторы по основным параметрам занимают промежуточное положение.
Насыщение засасываемой гидросмеси при обычных методах грунтоподготовки путем фронтального размыва грунта в зависимости от крупности материала и плотности его сложения составляет 0,25—0,35. Эжекторный грунтозабор способен к саморегулированию при значительном (более 0,6) увеличении консистенции пульпы, работе с заглублением всасывающего наконечника в грунт без срыва вакуума.
Недостатки эжекторных устройств — низкий гидравлический КПД и сравнительно малый напор, что вызывает увеличение мощности привода насоса для рабочей воды.
Механическая подготовка пород к выемке. Для разработки связных плотнослежавшихся и сцементированных песчано-гравийных грунтов землесосные снаряды оснащают механическими фрезерными рыхлителями.
По конструктивным признакам фрезы разделяют на два основных вида: открытые и закрытые (табл. 10.22).