CC BY
33
УДК 622.271.1
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ УДАРА СТРУИ ГИДРОМОНИТОРА О ЗАБОЙ
В.Е. Кисляков, Н.А. Шкаруба, П.В. Катышев
Показано влияние содержания тонкодисперсных грунтовых частиц в напорной воде на силу удара струи гидромонитора о забой по результатам моделирования в лабораторных условиях. Исследования проведены при помощи стенда, разработанного авторами с учетом коэффициентов подобия, в масштабе 1:10 к реальному объекту. По результатам обработки данных эксперимента построены графики зависимостей, определены эмпирические коэффициенты этих зависимостей.
Ключевые слова: россыпное месторождение, гидромонитор, моделирование, струя гидромонитора, тонкодисперсные грунтовые частицы, напорная вода, сила удара, забой.
Значительное количество запасов золота и сопутствующих металлов сосредоточено в россыпных месторождениях. Для их отработки наиболее эффективны средства гидромеханизации, характеризующиеся низкой капиталоемкостью и возможностью рентабельно отрабатывать месторождения со сложными горно-геологическими условиями и небольшим содержанием полезного компонента. Одним из способов гидромеханизированной разработки месторождений является гидромониторная отбойка, использующая энергию напорной струи, истекающей из насадки гидромонитора.
Для определения теоретической силы воздействия струи на забой Ро в соответствии с законом изменения количества движения (или, как ее иногда называют, силы удара струи) используется общеизвестная формула И. Ньютона [1]
£
ё ё
Ро =- 2 =Р—ю, кгс, (1)
где 2 - расход жидкости через насадку, м/с; ио - скорость истечения струи, м/с; р - плотность воды, кг/м3; ё - ускорение свободного падения, м/с2; ю - площадь сечения струи, м2.
Так как на современных предприятиях обеспечение гидромониторов напорной водой часто происходит посредством оборотного водоснабжения из специальных прудов-отстойников [2], а скорость осаждения пы-леватых частиц в воде очень низкая, то фактически на гидромонитор подается вода с большим содержанием тонкодисперсных грунтовых частиц [3]. Плотность такой воды будет больше плотности чистой воды (р > 1000 кг/м ), соответственно будет увеличиваться удельный вес единицы объема напорной воды.
В связи с этим напорную воду следует относить к неоднородным (гетерогенным) смесям, в которых гипотеза вязкостного трения Ньютона (пропорциональность напряжений градиенту скорости относительного движения жидкости) не применима, и такие жидкости принято называть неньютоновскими жидкостями [4].
Таким образом, при работе с напорной водой, подаваемой в гидромонитор, мы будем иметь дело с неньютоновской жидкостью, для которой формула (1) справедлива лишь отчасти. Кроме того, для исследования силы воздействия струи жидкости на преграду необходимо знать величину Ро в плоскости забоя, а указанная формула описывает силу воздействия жидкости на преграду в точке истечения струи из насадки гидромонитора и из формулы (1), можно сделать вывод, что бесконечное увеличение плотности воды приведет к бесконечному увеличению силы удара струи о преграду, чего фактически быть не может.
Примешивание твердых частиц увеличивает плотность и массу напорной воды, а, соответственно, и инерцию, способствующую разрушению массива пород, но возрастающая вязкость воды при этом снижает эффективность работы насосной установки. Таким образом, необходимо определить такое соотношение исследуемых факторов и содержание примесей в напорной воде, которые приведут к повышению эффективности работы гидромониторной установки в целом.
Целью работы является исследование влияния содержания тонкодисперсных грунтовых частиц в напорной воде на силу удара струи гидромонитора о забой.
Для реализации поставленной задачи была создана лабораторная установка (рис. 1), выполненная в масштабе 1:10 [5].
Исходные данные для моделирования исследуемых процессов представлены в табл.1. Здесь и далее индексами «н» и «м» обозначены натурный (реальный) и модельный объекты соответственно.
При моделировании соблюдено геометрическое подобие элементов, а также подобие процессов, протекающих в системах натурного и модельного образца.
Геометрическим подобием установлены линейные размеры модели. Параметры, зависящие от гидравлических характеристик установки, принимались исходя из критериев подобия процессов, протекающих при работе гидромониторной установки.
Содержание твердых частиц в воде с и ее плотности р установлено для случая, когда удельный вес грунтовых частиц у=1,6 т/м .
Плотность чистой воды принимаем р = 1000 кг/м , так как при работе в реальных условиях в зависимости от температуры она будет меняться незначительно [6]. Размеры забоя приняты также в масштабе 1:10 и составят 3^3 м для натуры и 0,3*0,3 м для модели. Практикой установлено, что размыв в целике целесообразно осуществлять при расстоянии от
забоя до насадки гидромонитора, не превышающем 0,25...0,30 величины напора [7]. Таким образом, расстояние от насадки гидромонитора до забоя в натурном варианте составит Ьн=Ъ0 м, для модельного образца это расстояние принято в соответствии с числом Фруда Ьм = 3 м.
12В 4 5 6 7 8 9
и
Рис.1. Стенд для исследования интенсивности гидромониторной
отбойки (модель): 1 - подводящий трубопровод; 2 - манометр гидромонитора;
3 - гидромонитор со сменными насадками; 4 - направляющие гидромонитора; 5 - защитный прозрачный корпус; 6 - видеокамера;
7 - шиберная заслонка; 8 - пластина,с установленными на ней тензодатчиками, подключенными к ПК 9; 10 - манометр насоса; 11 - кран на подводящем трубопроводе; 12 - насос; 13 - вентиль; 14 - отводящий трубопровод; 15 - расходная емкость, оборудованная ареометром и термометром; 16 - мерная емкость
Минимально возможное расстояние установки гидромонитора от забоя определяется как ак= 0,5.1,2 от высоты уступа [7] и для эксперимента составит Ьт\п = 0,3 • 0,5 = 0,15 м.
Потери напора в модельной установке незначительны и в расчетах не учитываются.
Обобщение результатов экспериментальных исследований для получения конкретных расчетных зависимостей произведены на основе выводов теории подобия [8, 9]. Если известно, что две системы подобны, то вычислив коэффициенты подобия, по поведению одной системы (модели) можно судить и о том, как будет вести себя реальный объект [10].
Для исследуемой модели установлены критерии подобия: Рейноль-дса Яв, характеризующий соотношение между силами вязкости и инерционными силами, Фруда показывающий подобие гидравлических качеств струи и влияние силы тяжести на свободную часть гидромониторной
струи (от насадки до забоя) и Ньютона Ыв, определяющий, что сила удара о забой в натурном и модельном образцах будет подобна.
Объект исследования имеет четыре входные переменные: содержание взвешенных частиц с и взаимосвязанная с этим плотность воды р, которая контролируется ареометром и регулируется добавлением тонкой фракции грунтовых частиц, расстояние от насадки гидромонитора до забоя Ь, напор воды Н, контролируемый манометрами, и диаметр насадки гидромонитора d (табл. 1). Выходным параметром объекта является сила давления гидромониторной струи на забой Р.
Таблица 1
Исходные данные моделирования
Диаметры насадок, мм dн 5,1
7,6
10,2
Подаваемый напор, * водяного столба Но 10-20
Расстояние от насадки гидромонитора до забоя, м Ь 1,5-3,5
Плотность технологической водыр, кг/м , (содержание тонкодисперсных грунтовых частиц с, г/л) р1(с1) 1000(0)
р2(с2) 1011,3(30)
рз(сз) 1022,5(60)
р4(с4) 1033,75(90)
р5(с5) 1037,5(100)
Таким образом, сила давления гидромониторной струи на забой может быть представлена в виде Р = /(р, Ь,И^).
Исследования с помощью стенда (рис. 1) осуществлялись следующим образом. В соответствии с исходными данными (табл. 1) на модель гидромонитора устанавливается насадка определенного диаметра. Замеряются исходные характеристики воды: плотность, температура, вязкость. Гидромонитор по направляющим перемещается на заданное условиями исследования расстояние от пластины. В момент включения насоса шиберная заслонка находится в положении рециркуляции воды. При помощи вентиля на отводящем трубопроводе устанавливается необходимый напор воды в подводящем трубопроводе, который контролируется манометром. Затем открывается кран на подводящем трубопроводе, струя направляется в центр пластины. При помощи манометра фиксируется напор воды у насоса. После этого шиберная заслонка перекрывает доступ воды в расходную емкость и вода поступает в мерную емкость, фиксируется время начала и завершения эксперимента, в течение которого программой ПК записываются показания тензодатчиков, установленных на пластине. По истечении времени эксперимента шиберная заслонка переводится в положе-
ние рециркуляции воды в установке, определяется расход воды при помощи мерной емкости.
Опыты выполнены в случайной последовательности, чтобы исключить влияние неучтенных систематических ошибок (согласно теории случайных чисел). Значения выходной величины Р (сила давления струи гидромонитора на забой, кгс) в процессе проведения экспериментов фиксируются ПК один раз в секунду. В результате камеральной обработки результатов вычисляется средневзвешенное значение величины Р для каждого варианта опыта.
По результатам исследований изменения силы давления струи на забой при различных параметрах струи и разном удалении гидромонитора от забоя составлены графики, принципиальный вид которых показан на рис. 2 (для условий, когда = 5,2 мм, Но = 20 м) и определены эмпирические коэффициенты а и Ь, характеризующие изменение силы давления на забой в зависимости от сочетания исходных параметров (табл. 1). Значения эмпирических коэффициентов показаны в табл. 2.
Таблица 2
Значения эмпирических коэффициентов
Исходные параметры Эмпирический коэффициент
йн„ мм Но, м Ь, м а в
1 2 3 4 5
5,2 10 1,5 1,013 0,583
2,5 0,613
3 0,593
3,5 0,633
15 1,5 0,363
2,5 0,393
3 0,413
3,5 0,433
20 1,5 0,163
2,5 0,193
3 0,213
3,5 0,233
7,65 10 1,5 1,166 0,171
2,5 0,181
3 0,196
3,5 0,211
15 1,5 0,353
2,5 0,313
3 0,303
3,5 0,293
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5
1,5 0,753
20 2,5 0,733
3 0,703
3,5 0,673
1,5 0,970
10 2,5 0,920
3 0,870
3,5 0,820
1,5 1,600
10,2 15 2,5 0,860 1,590
3 1,570
3,5 1,550
1,5 2,570
20 2,5 2,460
3 2,420
3,5 2,380
о 0,89
и
а
« 0,87
0
V®
~ 0,85
*
щ
а о,83
я
1 0-81
вз
| 0,79
I
С 0,77
Плотность воды, т/м3
♦ Ь = 1.5 м ■ и = 2.5 м А Ь: = 3 м X Ь4 = 3.5 м
Рис. 2. Кумулятивный график зависимости силы давления на забой от плотности воды (йн = 5,2 мм, Но = 20 м)
Таким образом, можно сделать вывод, что напорная вода, подаваемая на гидромонитор, является неоднородной смесью - неньютоновской жидкостью, и расчеты на основе закона изменения количества движения И. Ньютона (1) для нее не обеспечивают необходимой точности. Увеличение плотности воды за счет включения в нее тонкодисперсных грунтовых частиц оказывает влияние на характеристики гидромониторной струи и влечет за собой увеличение силы ее давления на забой, которая колеблется
в пределах 1...10 % при изменении плотности воды от 1000 до 1037 кг/м (соответствует изменению содержания тонкодисперсных грунтовых частиц от 0 до 100 г/л), то есть влечет за собой увеличение производительности гидромониторной отбойки.
Список литературы
1. Хныкин В.Ф. Разрушение горных пород гидромониторными струями на открытых разработках. М.: Изд-во «Наука», 1969. 150 с.
2. Лешков В.Г. Разработка россыпных месторождений: учебник для вузов. М.: Горная книга, 2007. 906. с.
3. Кисляков В.Е. Расчет отстойников оборотного водоснабжения при разработке россыпей. Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 1988. 176 с.
4. Многокомпонентные жидкости [Электронный ресурс] // URL:http://firing-hydra.ru/index.php?request=full&id=74 (дата обращения 27.04.2016).
5. Стенд для исследования интенсивности гидромониторной отбойки: пат. РФ № 169574 на полезную модель. МПК Е21С 45/00; опубл. 23.03.2017. Бюл. № 9.
6. Chemport.ru [Электронный ресурс] // URL: http:// www. chemport.ru / data /data35.shtml (дата обращения 27.04.2016).
7. Кисляков В.Е. Разработка месторождений полезных ископаемых средствами гидромеханизации: учеб. пособие. Красноярск: ГАЦМиЗ, 2000. 156 с.
8. Справочник химика 21 [Электронный ресурс] // URL: http:// chem21. info (дата обращения 27.04.2016).
9. Молоканов Ю.К. Химия и химическая технология Процессы и аппараты нефтегазопереработки: учебник для техникумов. 2-е изд. М.: Химия, 1987. 368 с.
10. Теории подобия и размерностей. Моделирование /П.М. Алабу-жев [и др.]. М.: Высшая школа, 1968. 208 с.
Кисляков Виктор Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., Vkislyakov@sfu-kras.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт горного дела, геологии и геотехнологий,
Шкаруба Наталья Александровна, ст. препод., N_024@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт горного дела, геологии и геотехнологий,
Катышев Павел Викторович, инженер, BestPavel1989@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт горного дела, геологии и геотехнологий
INVESTIGA TION OF THE JET STREAM POWER OF THE HYDROMONITOR
ABOUT A SIDEWALL
V.E. Kislyakov, N.A. Shkaruba, P. V. Katyshev
This paper presents the effect of the content offine-dispersed ground particles in the pressure water on the power of the jet stream about a sidewall by simulation results in laboratory conditions. Investigations were carried out using a stand developed by the authors, taking into account the similarity coefficients, on a scale of 1:10 to the real object. Based on the results of processing the experimental data, graphs of dependencies are constructed, and the empirical coefficients of these dependences are determined.
Key words: placer deposit, hydro-monitor, simulation, jet stream, fine-dispersed ground particles, pressure water, impact force, sidewall.
Kislyakov Victor Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, Vkislyakov @,sfu-kras.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies,
Shkaruba Nataliy Alexandrovna, senior lecturer, N_024@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies,
Katyshev Pavel Victorovich, engineer, BestPavel1989@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies
Reference
1. Hnykin V.F. Razrushenie gornyh porod gidromonitornymi strujami na ot-krytyh razrabotkah. M.: Izd-vo Nauka, 1969. 150 s.
2. Leshkov V.G. Razrabotka rossypnyh mestorozhdenij: uchebnik dlja vuzov. M.: Gornaja kniga, Izd-vo MGGU, 2007. 906. s.
3. Kisljakov V.E. Raschet otstojnikov oborotnogo vodosnabzhenija pri razrabotke rossypej. Krasnojarsk: Izd-vo Krasnojarskogo un-ta, 1988. 176 s.
4. Mnogokomponentnye zhidkosti [Jelektronnyj resurs] // URL:http://firing-hydra.ru/index.php?request=full&id=74 (data obrashhenija 27.04.2016).
5. Stend dlja issledovanija intensivnosti gidromonitornoj otbojki: pat. RF № 169574 na poleznuju model'. MPK E21S 45/00; opubl. 23.03.2017. Bjul. № 9.
6. Chemport.ru[Jelektronnyj resurs]// URL: http:// www.chemport.ru / data /data35.shtml (data obrashhenija 27.04.2016).
7. Kisljakov V.E. Razrabotka mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh sredstvami gidromehanizacii: ucheb. posobie/ Krasnojarsk:GACMiZ, 2000. 156 s.
8. Spravochnik himika 21. [Jelektronnyj resurs]// URL: http:// chem21. info (data obrashhenija 27.04.2016).
9. Molokanov Ju.K. Himija i himicheskaja tehnologija Processy i apparaty nefte-gazopererabotki: ucheb. dlja tehnikumov. 2-e izd. M.: Himija, 1987. 368 s.
10. Teorii podobija i razmernostej. Modelirovanie /P.M. Alabuzhev [i dr.]// M.: Vysshaja shkola, 1968. 208 s.
