Тема № 5. Термодинамическое разрушение талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании

5.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород

При разработке талых рыхлых и связных пород проблемным является вопрос предотвращения налипания горной массы на рабо­чую поверхность добычного и транспортного горного оборудования или же его очистка.

При разрушении рыхлых и связных пород в период с отрица­тельными температурами в связи с промерзанием значительно ус­ложняется процесс их экскавации. Кроме этого, при отрицательных температурах происходит интенсивное намерзание горной массы на рабочие поверхности добычного и транспортного оборудования, что приводит к резкому снижению их производительности.

Способы борьбы с налипанием и намерзанием горной массы на рабочие поверхности добычного и транспортного горного оборудова­ния можно разделить на три категории. К первой категории относят­ся те, которые основаны на нанесении профилактических веществ на рабочую поверхность транспортного горного оборудования. К ним относятся жидкие (ниогрин, универсин, кубовые остатки спиртов) и порошкообразные (тальк, сажа) гидрофобные, а также твердые инер­тные (древесные опилки, горелые породы, котельные шлаки) веще­ства. Кроме этого, в качестве профилактических веществ применяют пленочные покрытия на основе пластмасс и эпоксидных смол. Рас­творами хлористых солей натрия, магния, кальция и их смесей сма­чивают рабочие поверхности транспортных средств с целью сниже­ния температуры примерзания к ним горной массы.

Недостатком способов первой категории является кратковре­менность профилактического действия перечисленных выше ве­ществ. Например, применительно к железнодорожному карьерному транспорту через 3-5 рейсов после нанесения профилактических веществ снова начинается интенсивное нарастание остатков горной массы в думпкарах, что требует их предварительной очистки перед очередной профилактикой.

Ко второй категории относятся способы, основанные на меха­нической очистке рабочих поверхностей добычного и транспортного горного оборудования от налипшей и намерзшей горной массы. Эти способы малопроизводительны, приводят к повреждению очищаемо­го оборудования и не всегда обеспечивают необходимую чистоту очистки.

К третьей категории относятся способы, основанные на гидро-, газо- или термодинамическом воздействии при очистке рабочей поверхности добычного и транспортного горного оборудования. Гидро- и газодинамический способы очистки практически не применя­ются. Термодинамический способ сравнительно широко применяет­ся для очистки вагонов МПС, думпкаров, конвейерных лент и подконвейерного пространства, ковшей цикличных и роторных экскваторов. Его достоинствами являются бесконтактность, возможность применения для очистки от налипшей и намерзшей горной массы, высокая чистота очистки рабочей поверхности оборудования.

5.2. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород

Как уже указывалось, что для очистки транспортных сосудов от налипшей горной массы применяют бесконтактный термодинамиче­ский способ. В качестве генератора высокоскоростной газовой струи применяют реактивные авиадвигатели, отработавшие свой моторе­сурс в воздухе. Схема взаимодействия высокоскоростной газовой струи авиадвигателя с очищаемой поверхностью представлена на рис. 5.1. В плоскости торможения радиус г' прямой струи определя­ется из выражения

r'=R₀+0,176H, (5.1)

где r₀ — радиус сопла, м; Н — расстояние от среза сопла до плоскости торможения, м.

_{Рис.5.1. Схема торможения высокоскоростной газовой струи о плоскую преграду}

В центре пятна торможения скорость потока равна нулю. По мере удаления от центра пятна торможения начинает формиро­ваться пристеночная струя, при­чем ее толщина (δ₀) увеличивает­ся по мере удаления от центра. На расстоянии r' от центра толщина пристеночной струи будет

δ₀ = 0,492r'. (5.2)

В любом вертикальном сече­нии скорость пристеночной струи у плоской преграды равна нулю. Далее, по мере удаления от пре­грады, она возрастает, достигает максимума и затем убывает, стремясь к нулю. Линия и плоскость максимальных скоростей присте­ночной струи соответственно называются динамической осью и динамической плоскостью пристеночной струи. Максимальное значение скорости U_r пристеноч­ной струи имеет место на расстоя­нии (0,13 - 0,14) δ₀ от плоской преграды. Текущее значение U_r в зависимости от радиуса пятна растекания пристеночной струи опре­деляется из выражения

(5.3)

где U_H — скорость прямой струи на расстоянии от плоской прег­рады, м/с.

За счет изменения скорости пристеночной струи от нуля до U_r в динамической плоскости создается дефицит давления, что обеспечи­вает отрыв агрегатных частиц прилипшей горной массы. Отрыв агре­гатных частиц горной массы начинается в месте разворота прямой струи и заканчивается на некотором расстоянии r* от центра пятна растекания пристеночной струи. На расстоянии r > r* скорость при­стеночной струи в динамической плоскости становится недостаточ­ной для обеспечения дефицита давления, необходимого для отрыва агрегатных частиц прилипшей горной массы. Таким образом, разру­шение налипшей горной массы происходит отдельными слоями агре­гатных частиц в зоне 0 < r < r* вплоть до полной очистки транспортных емкостей или добычного горного оборудования от налипшей горной массы.

Условие, при котором происходит отрыв агрегатных частиц гор­ной массы, имеет вид

(5.4)

где ΔР — дефицит давления, Па; П — пористость прилипшей горной массы; σ_сц — сцепление между агрегатными частицами горной мас­сы, Па.

Величина ΔР связана со скоростью пристеночной струи в динамической плоскости следующим соотношением:

(5.5)

где γ_г— плотность газа струи, кг/м³.

С учетом (5.5) условие разрушения (5.4) примет вид

(5.6)

Подставляя в (5.6) значение U_r из (5.3) и решая квадратное уравнение относительно r*, получим радиус зоны, в которой проис­ходит разрушение прилипшей горной массы:

(5.7)

Время разрушения τ^ одного слоя агрегатных частиц в радиусе r* определяется из выражения

(5.8)

где U_r — средняя скорость пристеночной струи в динамической плоскости в интервале 0 < r < r*.

(5.9)

Время τ, необходимое для очистки прилипшего слоя горной мас­сы толщиной h, определяется из выражения

(5.10)

где h_c — толщина одного слоя агрегатных частиц, равная диамет­ру агрегатных частиц, м.

Скорость подвигания фронта V_л разрушения при очистке от налипшей горной массы будет

(5.11)

При очистке добычного и транспортного горного оборудования от налипшей горной массы высокоскоростной газовой струей обеспе­чивают протяжку генератора струи или наоборот — оборудования относительно генератора струи. При этом очищается полоса оборудо­вания, ширина которой равна 2r*. Скорость протяжки V задают та­кой, чтобы очистка происходила на всю толщину налипшей горной массы,

(5.12)

На практике расстояние среза сопла генератора высокоскорост­ной газовой струи до очищаемой поверхности поддерживают таким, чтобы при протяжке обеспечивалось условие

2r* ≥ В, (5.13)

где В — ширина очищаемой поверхности оборудования, м.