Процесс всасывания грунтов при подводной разработке

Для всех гидродобычных машин (грунтовых насосов, гидроэлеваторов) и устройств работающих в условиях затопления забоя процесс грунтозабора условно одинаков. Он включает в себя две основные задачи: отделение некоторого объема грунта от массива (разрушение), и смешивание его с жидкостью (пульпообразование) [1].

а) б)

в) г)

Рис.17 Различные типы грунтозаборных устройств: а) с самоустанавливающимся струенаправляющим кольцом и гидравлическим разрыхлителем; б) с фрезой открытого типа; в) с фрезой со спиралевидными ножами; г) схема вибровсасывающего устройства к землесосному снаряду ЗРС-1 1–корпус земснаряда, 2–рама сосуна, 3–сосун, 4–наконечник сосуна, 5–виброплита, 6–шток, 7–вибратор, 8–стрела.

В зависимости от характера разрабатываемого грунта, для решения этих задач применяются различные грунтозаборные устройства, работа которых основана на двух основных принципах (рис.17):

• Непосредственное всасывание.

• Всасывание с предварительным рыхлением (гидравлическим или механическим).

Разрыхлители подразделяются на фрезерные, черпаковые, роторные, вибрационные и гидравлические [2,3].

Метод непосредственного, или свободного всасывания грунта основан на том, что для некоторых грунтов придонная скорость течения жидкости в зоне, окружающей входное отверстие трубы, достаточно велика для разрушения массива, последующего взвешивания отдельных частиц и их вовлечения во всасывающую трубу (сосун) [1]. Данная скорость зависит, в основном, от расстояния кромки всасывающей трубы до дна и разницы окружающего давления и давления во входном сечении этой трубы (рис. 18а).

Рассматривая движение струй жидкости в области грунтозабора, следует отметить, что они образуют вихрь, который формирует характерную воронку всасывания (рис. 19) [3].

Разрушение забоя происходит не только под действием придонных струй (поверхностного размыва), но и благодаря фильтрующим потокам (эффекту суффозии) [1]. Чем ближе всасывающая труба к поверхности забоя, тем больше доля разрушения пород суффозией, вплоть до полного отсутствия поверхностного размыва в режиме работы всасывающего устройства «из под слоя» (рис. 18в).

Рис.19 Расположение линий токов и линий равного давления в воронке размыва

Р ассмотрим совместную работу гидротранспортной установки и грунтозаборного устройства (рис. 20). На входе гидротранспортной установки создается область разрежения. Теоретически его максимальное значение равно 1 атмосфере или 10м.вод.ст. и называется вакуумметрической высотой всасывания (Н_вак). На практике подобное значение не достижимо, и как правило не превышает 6,57м.вод.ст., что обусловлено конструкцией конкретного устройства. Присоединив к этой области всасывающую трубу (всасывающую линию) мы добьемся того, что эта область разрежения будет продлена к забою. Следует учесть, что при движении гидросмеси во всасывающей линии возникнут гидравлические потери (h_вс), которые несколько уменьшат создаваемое разрежение в области забоя. Гидравлические потери возникнут и при входе во всасывающую линию (h_вх). Так как плотность пульпы и окружающей жидкости не равны, то вакуумметрическая высота всасывания уменьшится на Н_р(1-_о/_п). Переподъем пульпы над уровнем воды так же уменьшает Н_вак на Нг_п/_о. Для того чтобы предотвратить возникновение кавитационных явлений необходимо иметь некоторый запас, т.е. на входе в гидротранспортную установку пульпа должна иметь некоторый скоростной напор, равный ²/2g , где  скорость пульпы.

В таком случае можно записать [1]:

Если из этого выражения определить h_вх и произвести соответствующие вычисления, то окажется, что на долю h_вх, т.е. на величину потерь, которые могут быть затрачены непосредственно на процесс грунтозабора, может быть израсходовано всего 23м (при глубине разработки до 15 метров).

Анализируя выражение можно утверждать, что для интенсификации грунтозабора можно использовать различные способы повышения всасывающей способности:

• Уменьшение длины всасывающей линии.

• Применение добавочного инжектирования.

• Заглубление гидротранспортной установки ниже уровня окружающей жидкости (работа с подпором; в этом случае Н_г становится отрицательной величиной).

Для достижения оптимальных значений _п найден ряд конструктивных решений, заключающихся в форме сосуна [3], характере его перемещения по забою(рабочих перемещений или папильонирования), применении различных разрыхлителей.

Так как частицы твердого имеют некоторую скорость свободного падения в жидкости (гидравлическую крупность), то скорость всасывания должна быть несколько больше, чтобы все частицы попали в гидротранспортную машину. Для достижения оптимального результата рекомендуется скорость во входе в наконечник принимать не менее трехкратного значения гидравлической крупности.

Форма всасывающего наконечника и его положение по отношению к плоскости грунтозабора так же играют значительную роль в процессе всасывания. Исследования показали, что оптимальной формой наконечника является эллипс с горизонтально расположенной длинной осью, округлой кромкой, и расположенный под углом =10^о к горизонту (рис. 21). такая форма обуславливает наименьшее сопротивление входу потока гидросмеси во всасывающую линию, а так же позволяет уменьшить величину среднего зазора между кромкой сосуна и поверхностью забоя.

Рис. 22 Оползание и обвалы откоса при подводной разработке грунта.

Физическая картина явлений, связанных с подводным грунтозабором, существенно осложняется оползанием и обвалами откосов в разрабатываемом забое. Грунтозаборным устройством первоначально будет выбран некоторый объем А (рис. 22), затем почти одновременно сползет объем В. Он будет почти полностью подобран грунтозаборным устройством, и на некоторое время в забое установится откос с углом заложения , существенно превышающим угол естественного откоса . Дальнейшее выполаживание откоса от угла  до угла  будет происходить постепенно, а так как грунтозаборное устройство непрерывно перемещается, то объем С не может быть им забран, а образует так называемый просор, т.е. разработанный но не извлеченный из области забоя грунт [1].

Производительность грунтозаборного устройства (в м³/с) со свободным всасыванием может быть определена как:

где: S – объемная консистенция пульпы;

_вс – площадь всасывающего отверстия, м²;

_вс – скорость всасывания, м/с.

Рассматривая перемещение грунтозаборного устройства по забою можно записать:

;

где: F – сечение выработки в грунте, м²;

_п – скорость папильонирования, м/мин;

K_пр – коэффициент просора.