obschee

которые имеют временное сопротивление давлению 0,075…1,0 МПа

(рис. 3.1, а). Для этих давлений струи промышленность изготавливает насосы с производительностью воды до 4000 м3/час, что позволяет создавать гидромониторы высокой производительности по породе

(до 700 м3/час). В связи с этим разработка вскрышных пород на открытых работах, как правило, осуществляется водными струями с отмеченными давлениями при насадках диаметром 50…190 мм. Рабочая длина струи при этой технологии используется в пределах от 10 до 80 м.

Разработка угля слабой и средней прочности, которые имеют сопротивление давлению 4,7…18 МПа, ведется струями воды среднего давления 3…13 МПа (рис. 3.1, б). Для этих давлений изготавливают насосы с производительностью воды до 400 м3/час, что позволяет создать гидромониторы с насадками диаметром 16…32 мм. При таких параметрах струй практикой достигнута производительность гидромонитора по углю в подземных условиях 20…70 т/час. Рабочая длина струи используется в пределах 0,3…10 м.

Для разработки угля средней прочности и прочных, которые имеют временное сопротивление давлению 18…23 МПа, применяется третья группа струй воды давлением 15…30 МПа при насадках диаметром 4,5…12 мм (рис. 3.1, в). Рабочая длина струи используется в пределах 0,1…4 м. Для данных параметров струй промышленность пока что изготавливает только насосы на давление 32 МПа с недостаточной для этих работ производительностью воды – 12 м3/час. Для создания эффективных струй этой группы необходимо изготовление соответствующих насосов. В некоторых случаях возможно применение повышателей давления.

21

Рисунок 3.1 – Схема разрушения горного массива струями низконапорными (а), среднего давления (б) и тонкими струями высокого давления (г)

Уголь средней прочности и прочный с временным сопротивлением давлению 18…38 МПа могут разрушаться тонкими струями высокого давления – 35…60 МПа при насадках диаметром

1…4 мм (рис. 3.1, г). Эти струи имеют расход воды 2…17 м3/час и эффективные при отдалении забоя от насадки на 0,02…0,4 м. В данное время такие струи еще не нашли широкого промышленного применения, но произведенные исследования, как стендовые, так и исследовательски-промышленные, подтверждают высокую эффективность применения этих струй.

Струи сверхвысокого давления экспериментально применяются при разрушении прочных горных пород с временным сопротивлением давлению 60…180 МПа, при давлениях струи воды 70…300 МПа и

22

насадками диаметром 0,2…0,9 мм. Эти струи еще не имеют широкого промышленного применения, однако они эффективны при разрушении прочных пород, поэтому у них большая перспективность в будущем.

Исследования и опыт применения водных струй в горных работах показал, что интенсивность размыва вскрышных пород,

разрушение угля находится в зависимости от физико-механических особенностей горного массива (прочности, вязкости, трещиноватости,

водопоглощения) и от параметров струи (динамических давлений, силы давления струи на массив, диаметр струи, длины начального участка и др.).

3.1.4 Структура струи

Исследования структуры гидромониторной струи показали, что поперечный срез ее характеризуется наличием трех зон (рис. 3.2).

Первая зона, которая находится в центре струи, называется ядром. В

ядре струя имеет наибольшую плотность, поскольку цельность потока жидкости еще не нарушена. Скорость потока и динамическое давление в ядре равны скорости и давлению на выходе из насадки. С отдалением от насадки площадь сечения ядра уменьшается. Вторая зона окружает ядро. Она характеризуется нарушением цельности потока – наличием пузырьков воздуха. В результате взаимодействия струи с окружающим воздухом скорость потока и динамическое давление в этой зоне снижается. Третья зона представляет собой отдельные раздробленные струи и мелкие капли воды, которые двигаются в воздушном пространстве.

23

I – начальный участок; II – переходной участок; III – участок распада; 1 – ядро; 2, 3 – вторая и третья зоны плотности струи

Рисунок 3.2 – Структурная схема гидромониторной струи (а) и график зависимости осевого динамического давления pд на расстоянии l от насадки гидромонитора (б)

Вдоль струи различают три участка. На начальном участке в

поперечном сечении струи есть первая и вторая зоны. Струя

компактная, имеет большую плотность и динамическое давление. В

конце этого участка первая зона (ядро) исчезает. Для переходного

участка характерно наличие второй и третьей зон. Струя интенсивно

насыщается воздухом и начинает распадаться, ее плотность и

24

динамическое давление значительно снижаются. На участке распада

имеется только третья зона – струя распадается и практически полностью теряет динамическое давление.

Длина работоспособной части струи зависит от диаметра насадки и напора воды. Для гидромониторов, которые применяются на открытых горных работах, она находится в пределах 350…450

диаметров насадки.

3.1.5Формирование струи в проточном канале

гидромонитора и в насадке

В гидромониторах режим движения воды всегда турбулентный.

Кроме природной турбулентности, вихри возникают на поворотах и в расширениях трубопровода. Завихрения в потоке перед насадкой снижают работоспособность струи.

Одним из основных условий формирования напорной струи воды для разрушения горных пород является необходимость получения при вылете из насадки струи с динамическими характеристиками,

которые обеспечивают высокую эффективность разрушения массива.

Качество струи может быть характеризирована путем комплексного составления таких ее характеристик, как длина начального участка,

осевое и среднее динамические давления по сечению струи и др. Более компактная струя имеет большую длину начального участка, медленное изменение осевого динамического давления по длине, большее значение среднего динамического давления на одинаковом расстоянии. Эпюра значений динамического давления по сечению у более компактной струи имеет меньшее убывание на отдалении от оси. В результате энергия струи доносится к массиву, который разрушается, в более концентрированном виде. Структура и динамические характеристики

25

гидромониторной струи в значительной мере зависят от условий движения потока воды в проточном канале.

Проточный канал гидромонитора включает колена, поворотные шарниры, ствол, насадку и специфические для той или иной конструкции гидромонитора узлы и детали (рис. 3.3).

Наиболее существенным изъяном потока воды в канале гидромонитора является вращение потока вокруг продольной оси канала, неравномерность продольной скорости, турбулентность и кавитация при большом давлении. Источником возникновения этих возмущений потока в проточном канале гидромонитора служат повороты канала и резкие местные нарушения прямолинейности в фасонных частях.

Основная задача при формировании струи в стволе гидромонитора состоит в том, чтобы обеспечить ликвидацию возмущений, которые появляются в гидромониторе. Для полного устранения неблагоприятного влияния на структуру и динамику струи турбулентных пульсаций необходимо иметь прямолинейный ствол,

длина которого составляла бы приблизительно 40…50 диаметров его канала. В этом случае длина ствола в низконапорных гидромониторах,

наиболее распространенных на открытых горных работах, составляла

10…18 м, а в гидромониторах на подземных работах – 4…5 м. Однако,

стволы таких размеров в практических условиях не могут быть использованы, поскольку в этом случае управление гидромониторами очень усложняется, а их масса и трудоемкость обслуживания увеличиваются. Поэтому для погашения турбулентности применяются выпрямители потока, которые получили название успокоители потока.

При наличии успокоителя в стволе гидромонитора длина начального участка струи увеличивается в 2 раза и осевое динамическое давление в

26

струе уже на расстоянии 7 м от насадки тоже увеличивается в 2 раза

(рис. 3.4).

Конструкция успокоителя играет существенную роль в процессе формирования потока воды и устранения в нем разного рода возбуждений. На эффективность гашения турбулентных пульсаций и возбуждений потока воды в стволе гидромонитора влияют также длина и место расположения успокоителя в стволе. Наиболее рациональным является сотовый успокоитель с шестнадцатью ячейками, созданными пластинами. При расстоянии между успокоителем и концом ствола,

равным двум диаметрам ствола Dс, и длины пластины 2,6·Dс,

гидромониторная струя имеет наилучшую компактность, потому что осевое давление в струе на расстоянии 4 м от насадки наибольшее в сравнении с другими размерами и формами успокоителей. Для гидромониторов, которые применяются на открытых работах,

рациональная длина успокоителя находится в пределах (1,8…2)·Dс.

Максимальные значения динамического давления струи полученные в случае, когда расстояние между концом ствола и успокоителем составляла (1…1,5)·Dс. Сотовый успокоитель рекомендован для установки в стволах гидромониторов ГМ-350/175-125, ГМДУЭГ-250,

ГМ-2 и др. Для открытых горных работ рекомендован новый ствол гидромонитора, показанный на рисунке 3.3.

27

1 – нижнее колено; 2 – верхнее колено; 3 – ствол; 4 – сотовый успокоитель; 5 – насадка

Рисунок 3.3 – Схема ствола гидромонитора с успокоителем

Рисунок 3.4 – График зависимости	Рисунок 3.5 – Конструкция
осевого динамического давления в	насадки с цилиндрическим
струе на расстоянии до насадки	участком
гидромонитора при наличии (1) и
отсутствии (2) успокоителя

Окончательное формирование водной струи происходит в насадке. Очертание профиля насадки и чистота ее внутренней поверхности определяют характер распределения энергии потока вдоль насадки. Падение статического напора зависит от длины и угла

конусности насадки, а компактность струи – от условий формирования

потока в насадке и потерь кинетической энергии в ней. В результате

исследований выявлено, что наиболее компактную струю дает насадка

конической формы с углом конусности α = 7…10° и с цилиндрическим

28

участком в конце длиной lц = (1,7…2,5)·dо, где dо – диаметр насадки

(рис. 3.5). Размеры насадок приведены в таблице 3.2.

Особое влияние на компактность струи делает также турбулентность в пограничном шаре воды около стенки насадки.

Источником такого возмущения могут быть шероховатость стенки,

пороги, канавки, а также недостаточно плавное соединение конической и цилиндрической частей насадок. При довольно плавном соединении конуса с цилиндром в насадке и гладкой внутренней поверхности ее стенок турбулентность в пограничном шаре воды будет минимальной.

Рекомендуется обрабатывать внутреннюю поверхность насадки по 10-

му классу, а после хромировать.

Таблица 3.2 – Размеры насадок для гидромонитора ГМ-350 (см. рис. 3.5)

Диаметр	Угол	Длина	Общая длина
насадки, мм	конусности,	цилиндрического	насадки,
	град.	участка, мм	мм
125	10,5	320	730
140	8,5	310	718
150	7,16	300	700
160	6	295	682
165	5,66	290	645
175	5	285	575

3.1.6 Динамические и структурные характеристики струи

1) Дальность полета струи

Если не учитывать аэрацию струи, сопротивление воздуха и

высоту размещения ствола гидромонитора относительно условного

горизонта, то дальность полета струи по горизонтали

29

		v2
	l	0	sin 2 ,	(3.1)
		g

где v0 – скорость истечения струи из насадки; α – угол наклона струи к горизонту; g – ускорение свободного падения.

2) Осевое динамическое давление

Отличительной чертой разрушения горного массива струей воды является изменчивость динамических и структурных характеристик струи по мере увеличения расстояния между насадкой и массивом,

который разрушается. С увеличением расстояния от насадки увеличивается диаметр струи (в результате взаимодействия с окружающей средой и под влиянием других гидродинамических факторов). При этом струя постепенно теряет свою кинетическую энергию и ее динамическое давление уменьшается.

Вдоль начального участка осевое динамическое давление струи остается практически неизменно и равно давлению перед насадкой p0

p` p0 , 0 ≤ l ≤ lн,

(3.2)

где lн – длина начального участка длины струи; l – расстояние от насадки.

Вне начального участка осевое динамическое давление уменьшается (см. рис. 3.2 б). Для участка струи, который отвечает отношению l / lн = 1…10, на основании экспериментальных данных получена зависимость

	p`	lн	k
			, lн	l 10 lн .	(3.3)
	p0	l
			30