CC BY
37
АЖИННАЯ: ГИДРОДОБЫЧА :
■
^ В.В. Кротков, 2000 ■ '
УДК 532.542.7:622.371
В.В. Кротков
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГИДРОЗАКЛАДКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ ТРУБОК КАМЕРНЫМИ ПИТАТЕЛЯМИ
О
своение алмазосодержащих участков месторождения им. Ломоносова скважинами большого диаметра предусматривает последующую гидрозакладку очистного пространства выработанных скважин. Ведение горных работ с закладкой при надлежащей организации работ обеспечивает безопасное бурение смежных скважин с неустойчивыми боковыми стенками. Наличие значительных обнаженных поверхностей боковой стенки скважины и достаточно медленное бурение, характерное для скважин большого диаметра, в большей степени интенсифицируют процесс выпучивания стенок.
Эффективность ведения горных работ с закладкой выработанного пространства определяется тем, насколько совершенна механизация буровых и закладочных работ. Для освоения метода требуется в первую очередь наличие значительного количества дешевого закладочного материала и быстрое распределение его в выработанном пространстве скважины.
В качестве закладочного материала в наибольшей степени благоприятны пески или мелкая скальная порода с небольшим количеством частиц крупностью менее 0,074 мм. Традиционно для ведения закладочных работ гидравлическим методом на шахте или руднике используют специальный комплекс устройств. В закладочном комплексе объединяют следующие процессы: приготовление закладочной гидро-
смеси, подача её в шахту, транспортирование по горным выработкам и намыв закладочного массива в выработанном пространстве.
Для ведения гидрозакладочных работ в очистном пространстве пробуренной скважины используются камерные питатели. Достоинством работы камерных питателей является то, что твердый материал (заполнитель гидрозакладки) вводится в емкость питателя в сухом виде или в составе гидросмеси. Камера шлюзового аппарата одновременно является как сгустителем, так и смесителем гидросмеси. Такой аппарат подает высоконасыщенную гидросмесь по трубам используя при этом только напорный водяной насос. При достаточно высоком давлении водяного насоса, гидросмесь шлюзовым аппаратом может транспортироваться на дальние расстояния (5-10 км) без использования дополнительных перекачных станций, как это принято при напорном гидротранспортировании. Кроме того, крупность перемещаемого твердого может быть достаточно большая и ограничивается только диаметром напорного трубопровода.
Шлюзовые аппараты используются и для подъема горной массы из шахт в объеме высоконасыщенной твердым гидросмеси [1]/ Известно более 50-ти различных конструкций шлюзовых камерных питателей, но расчет основных потоков этого аппарата и его геометрических параметров сводится к построению циклограммы работы и размеров основной камеры исходя
из заданной производительности по твердому. Непосредственного гидродинамического обоснования внутренних процессов при пульпо-приготовлении и вытеснении не рассматривается [3].
В некоторых публикациях ведется расчет технологического процесса шлюзового аппарата исходя из тех научных концепций, которые предлагают авторы. Так, исследователи Донецкого политехнического института считают, что в качестве определяющих величин, характеризующих движение твердого материала в камере могут быть приняты: гидравлический радиус выпускного отверстия, скорость истечения твердого в трубопровод и гидравлический уклон в слое материала в камере.
где I - гидравлический уклон в слое материала; Ан - гидравлические потери напора потока при фильтрации его через слой твердого материала, м; Нсл - высота слоя твердого материала в камере шлюзового аппарата, м.
В конечном итоге расчет сводится к определению гидравлических потерь напора рабочего потока при фильтрации его через слой [4].
Некоторые исследователи дают общие рекомендации по расчету загрузочно-шлюзовых аппаратов [5], которые использовать в практике их работы достаточно сложно. Так, профессор А.Е. Смолдырев рекомендует вести расчет загрузочных аппаратов по методике проектирования водоструйных аппаратов. В целом предлагаемые методики расчета шлюзовых аппаратов оценивают только один или несколько процессов всего сложного технологического цикла и не могут служить основой для проектирования гидрозакладочного комплекса.
Непосредственно сущность работы шлюзового аппарата основана на предварительном заполнении твердым материалом камеры (при вытеснении воды через сливной патрубок), последующей ее герметизации и подачи в камеру напорной воды. Локальное гидровзвешивание твердого материала в плоскости
всасывающего отверстия создает благоприятные условия для входа твердого материала в напорный трубопровод. Исходя из закона неразрывности, расход напорной воды, поступающей в камеру, должен соответствовать расходу пульпы (смеси воды и гидровзвешенного твердого), вытесненной в напорный трубопровод. Одновременно часть расхода рабочей воды (замещенной расходом твердого в объеме пульпы) движется восходящим фильтрационным потоком в слое твердого материала в камере. Избыточное давление в камере определяет напорные возможности этого гидрозакладочного комплекса.
Исходя из такой концепции работы шлюзового аппарата, методика его расчета заключается в следующем.
1. Скорость вылета струи из насадки в слое твердого материала в камере
(2)
где ф - коэффициент скорости насадки; АН - перепад напора в камере, м; и - скорость струи, м/с.
2. Расход рабочей жидкости через насадку
Q = и -ю0 (3)
с учетом выражения (1)
0 =ф-Л/2яАН ,Юо (4)
где Юй - площадь поперечного сечения рабочей насадки, м2.
3. Необходимый избыточный напор для процесса гидровзвешивания твердого в объеме камеры аппарата
АН = (1 - т)-L -Рт ~Ро (5)
Ро
где £ - порозность слоя твердого (доля пустот объема насыпного твердого); L - высота камеры аппарата, м; Рт, Р0 - соответственно плотность твердого и воды (или несущей среды), кг/м3.
4. Исходя из закона неразрывности, расход воды, поступающей в камеру аппарата из насадки со-
ответствует расходу гидросмеси в пульповоде с концентрацией твердого.
Qn — Q =9-72^ •
ю
0
(6)
где Qп Q - соответственно, расход пульпы в пульповоде и воды, подаваемой в камеру аппарата через рабочую насадку, м3/с.
5. Заданный расход твердого, поступающий в пульповод (производительность аппарата по твердому) соответствует расходу воды, отделяющейся от основной струи и принимающий участие в процессе гидровзвешивания твердого материала в объеме камеры аппарата.
Qт = QnSn = *2э.
(7)
где Qж - расход воды, поступающей в процесс фильтрации и гидровзвешивания, м3/с.
6. Поскольку процесс фильтрации воды через слой твердого материала происходит при одновременном его перемещении вниз, то имеет место следующее равенство
(юк ю0')'и0ж 2 -
(8)
где Ю0, Юк - соответственно площадь сечения пульповода и камеры в плоскости всасывания (вытеснения) твердого материала, м2; иож - скорость гидровзвешивания твердого материала при плотной его упаковки, м/с
иж — т 4-Рт р0 - ёт
3 Ро
(9)
где dт - средневзвешенный диаметр кусков твердого в камере, м; V - коэффициент лобового сопротивления.
7. Диаметр аппарата в плоскости всасывания (плоскость эффективного гидровзвешивания твердого в состоянии плотной упаковки). Исходя из выражения (8), площадь поперечного сечения камеры аппарата в плоскости всасывания равна
2 • Qж
юк — —-----------+ ю
и„
о
(10)
откуда диаметр плоскости оптимального гидровзвешивания
2-Ож
и ож
■ + ю
(11)
8. Согласно исследованиям Г.Н. Сизова [6], закономерность изменения скорости струи при движении ее в объеме твердого равна
1 (12)
и ср и 0 "
1 + 3.5
I
ё о
где I - длина струи, м; do - диаметр рабочей насадки, м.
Исходя из заданной концентрации твердого в объеме гидросмеси (в напорном пульповоде), локальная концентрация твердого в струе на расстоянии I должна соответствовать гидравлической крупности искомого твердого материала
ист — иср — (1 - Бп)п1 -
4 рт р0 Я- ёт
3
Р о
V
(13)
где ист - гидравлическая крупность твердого в объеме гидросмеси с концентрацией, м/с; п -показатель режима движения твердого (при турбулентном режиме п = 2,39).
9. Расстояние от выхода рабочей струи из насадки до плоскости вытеснения гидросмеси (с объемной концентрацией твердого Sn) в напорный трубопровод равно (согласно выражению (12) и (13))
1 = ио - ист dо
и.
3.5
(14)
Предлагаемая методика расчета шлюзового аппарата для ведения процесса гидрозакладки выработанного пространства скважин большого диаметра включает определение основных расходно-напорных параметров потока ^, Qж, Qт Ан, ио,ист,Рт, Ро) и геометрических характеристик аппарата ^, L, I, do).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические положения по
проектированию экспериментального
подземного гидрозакладочного комплек-
са. М. ИГД им. А.А. Скочинского, 1979 г.
2. Дмитриев Г.П., Маркус М.Н. Гидравлический транспорт. Справочник по шахтному транспорту. М., Недра, 1977, г. 538-575.
3. Дмитриев Г.П., Махарадзе Л.И., Гочиташвили Т.Ш. Напорные гидротранспортные системы. М., Недра, 1991, с. 304.
4. Гейер В.Г., Гоуба В.И. Расчеты фильтрационных потоков при разбутовке всасывающего устройства эрлифта, углесоса и вымыва твердого материала из питателя. Сб. "Разработка месторожде-
ний полезных ископаемых", Вып. 5, 1965, с. 7 - 14.
5. Смолдырев А.Е. Параметры накопителей промпродуктов для эффек-
тивных систем гидротранспорта. Цветные металлы, 1992, № 12 с. 61 - 80.
6. Сизов Г.Н. Работа затопленной гидромониторной струи. М., 1953, с. 169.
