CC BY
64
--------------------------------------- © Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко,
Н.Н Клочков, С.В. Тимошенко,
2010
УДК 622.271
Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, Н.Н. Клочков,
С.В. Тимошенко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГИДРОМОНИТОРА ГМД-350 ПРИ ДОБЫЧЕ ЯНТАРОСОДЕРЖАЩИХ ГЛИН
Проведены изыскания струеформирующего устройства с автомодельным управлением нестационарностью высоконапорного потока при выходе его из насадки.
Ключевые слова: карьер, гидромонитор, горная порода, водяная струя, струеформирующее устройство.
Семинар № 14
Т Уа карьерах Калининградского ж. ж. янтарного комбината используются низконапорные гидромониторы для размыва вскрышных пород, представленных четвертичными валунными глинами.
Исходя из классификации пород по трудности разработки их гидромониторами, в основу которой положен гранулометрический состав, данную породу можно рассматривать как суглинок средней сложности (группа IV, всего их пять).
При размыве этих глин используется гидромонитор ГМД-350 с рабочей насадкой 125 мм. Опыт гидровскрышных работ таким гидромонитором показал, что увеличение напора воды на насадке до 120^140 м вод. ст. не позволяет с достаточной эффективностью разрабатывать глины с включениями валунов крупностью 100^500 мм, а иногда и большего размера. Предварительное рыхление экскаватором приводит к значительному удорожанию работ и поэтому неэффективно.
Одним из непременных условий применения напорных водяных струй
для размыва горных пород является необходимость получения при вылете из насадки струй с хорошими гидродинамическими свойствами, обеспечивающими достаточно высокую эффективность процесса гидравлического разрушения разрабатываемого массива.
Общепринятым критерием оценки гидродинамических свойств струи и ее структуры является понятие компактной струи, под которым обычно принимают ее способность сохранять свою кинетическую энергию на том или ином расстоянии насадки. При сравнении напорных водяных струй и изучении влияния различных факторов на гидродинамические свойства струи и ее работоспособность при разрушении горного массива, общего понятия компактности струи бывает недостаточно. Для конкретного суждения о свойствах струи и ее структуре используется, как правило, один из гидравлических или геометрических параметров. Таким параметром в зависимости от условий и имеющихся в распоряжении средств исследования могут быть: конусность внешних гра-
Непостоянство скорости истечения
потенциальная нестационарность (I тип)
вихревая нестационарность (II тип)
отрицательное давление внутри струи
влияние
воздуха
кавитация
Ї
радиальные автоколебания насадки
л
волны на поверхности струи
внешняя аэрация струи
и
I
РАСПАД СТРУИ
Рис. 1. Схема причин, приводящих к распаду струи
ниц струи; сила удара струи на преграду на каком-либо определенном расстоянии от насадки (или кривая изменения силы удара струи в зависимости от расстояния); эпюра распределения динамических давлений на струе на определенном расстоянии от насадки; длина начального участка струи, в пределах которого осевое динамическое давление струи остается неизменным и равным исходному (на вылете из насадки), и, наконец, характер изменения динамических давлений в струе по ее оси. Перечисленные параметры струи находятся в определенной функциональной зависимости между собой и могут характеризовать компактность струи как при одновременном их рассмотрении, так и при изучении каждого параметра в отдельности.
Правильное представление о роли гидродинамических факторов при фор-
мировании водного потока в подводящих каналах гидромонитора должно способствовать решению основной задачи при их конструировании и усовершенствовании, заключающейся в получении наиболее компактных струй. На рис. 1 представлена схема причин, приводящая к распаду струи:
• непосредственно скорости истечения приводит к образованию волн на поверхности струи. Этот факт обнаружен при микрометрическом исследовании кинодокументов в виде периодических изменений диаметра струи;
• потенциальная нестационарность (1-й тип) — струи, создаваемые поршневыми и центробежными насосами (в разной степени) имеют непостоянную величину мгновенного расхода;
• потенциальная нестационарность (2-й тип) — непостоянство скорости истечения струи, вызванное турбулизаци-
ей потока. Это связано с наличием в струеподводящей системе «колен», плохим сопряжением ее отдельных элементов, неровностями и шероховатостями ее внутренней поверхности.
Предлагаемые исследователями механические средства (успокоители, насадки различных форм) воздействия на высокоскоростной поток устраняют крупномасштабные нестационарности, но не влияет на природу процесса их вызвавших. Необходимая степень управления устойчивостью струйного течения по направлению действия потока должна определяться непосредственно масштабом нестационарности (импульсов) и находится в ответном демпфирующем автомодельном режиме с собственными колебаниями струи.
В связи с этим были проведены изыскания струеформирующего устройства с автомодельным управлением неста-ционарностью высоконапорного потока при выходе его из насадки. Конструктивно такой гидромонитор представляет собой стандартный ствол, по оси которого размещена полая трубка, один конец корой соединен с атмосферой, а другой — находится у выходного сечения рабочей насадки.
Специфические особенности движения жидкости ядра струи определяются участком нестационарного течения напорного потока в канале ствола гидромонитора, которое масштабно производится высокоскоростным потоком в свободных внешних границах струи. Соответствующая масштабу канала ствола амплитуда перемещений конечных масс жидкости в насадке уменьшается, но при одновременном увеличении частоты пульсаций, что в конечном итоге представляет
потенциальную структуру
нестационорности ядра струи.
Значительное уменьшение нестацио-нарности поля скоростей и статических давлений в начальном участке струи возможно при перемещении процесса струеформирования из области высоконапорного потока канала ствола непосредственно в зону: насадка-струя, за счет создания демпфирующей воздушной полости в центральной части ядра струи.
Причем, эжектирование необходимого количества воздуха происходит автомодельно в соответствии с масштабом пульсационной нестационарности ядра струи.
Исследования показали, что оптимальное положение воздушной трубки (стабилизирующего устройства) не является постоянным, а изменяется при различном рабочее давлении, подаваемом на гидромонитор. При небольших давлениях срез стабилизирующего устройства располагается в конусной части насадки, а при увеличении рабочего давления оптимальное положение среза трубки перемещается к выходному сечению насадки и в последующем может выходить за ее пределы, не нарушая тем самым процесс струеформирования.
Эксперименты показали, что при перемещении стабилизирующего устройства по оси ствола гидромонитора образуются три зоны формирования струи: эжектирования, стабилизации, рабочая.
Указанным зонам формирования струи соответствуют три переходные границы:
• Первая. Положение стабилизирующего устройства таково, что в трубке создается разряжение, которое позволяет даже эжектировать различные материалы.
• Вторая (переходная область). Эта граница определяет процесс начала
Рис. 2. Положение воздушной полости при автомодельном процессе оптимального струе-формирования
струеформирования и процесс максимальной эжектируемой способности стабилизирующего устройства.
• Третья. Начало разделения струи на отдельные объемы (граница начала разрушения струи).
Визуальные наблюдения и поэтапный фотохронометраж позволили заключить, что автомодельный процесс оптимального струеформирования с нейтрализацией кавитационной неста-ционарности внутри струи осуществляется посредством постоянно изменяющейся по форме воздушной полости, образованной в результате эжектирова-ния трубкой воздуха и являющейся ядром струи на выходе ее из насадки в пределах 3do (см. рис. 2).
Проверочные испытания проводились на серийном гидромониторе ГМД-350 на вскрышном участке Приморского месторождения.
В стволе гидромонитора продольные пластины успокоителей были заменены
воздушной трубкой по всей его длине. Первоначально торец воздушной трубки оканчивался в цилиндрической части насадки вблизи от выходного отверстия.
Как показали опытно-промышленные исследования, новый гидромонитор с воздушной трубкой имел более компактную структуру только в первый период его работы, затем струеформиро-вание происходило с заметными отклонениями от оптимальных условий. Причиной этого явилось наличие значительного количества водорослей в подаваемой с моря напорной воде, а также достаточно близкое расстояние от образа воздушной трубки до входного сечения насадки. Водоросли застревая в пластинах центраторах (которые размещались в цилиндрической части насадки) создавали достаточно значительное сопротивление и являлись возбудителями интенсивной турбулентности перед выходом струи из насадки и началом струе-формирования. Такой высокий масштаб
турбулентности на коротком участке до выходного отверстия (всего 40 мм) практически во всем объеме перехода в струю и отрицательно влиял на струе-формирование.
Кроме того, на процесс струеформи-рования оказывали следующие факторы связанные с некачественным техническим обустройством гидромонитора
• вибрация воздушной трубки в канале ствола (люфт на одну сторону достигал 11 мм);
• несосность установки канала ствола — рабочей насадки и воздушной трубки;
• искривление конуса насадки при изготовлении (угол образующей конуса разный по всей его боковой поверхности);
• ось конуса насадки находилась под углом к оси цилиндрической части насадки.
В результате проведенных технических мероприятий, перечисленные выше дефекты были устранены и после запуска насоса, под давлением около 8,5^9,0 атмосфер (0,85^0,9 МПа), напорная струя гидромонитора разрушала достаточно интенсивно нижние тяжелые глины, образуя в массиве пород четко выраженную подрезку уступа, сопровождающуюся интенсивным обрушением уступа.
При прежней конструкции ствола гидромонитора с аналогичными напорными характеристиками процесс подрезка либо отсутствовал, либо был не явно выражен, что снижало в конечном итоге объемы обрушения массива пород.
Визуально струеформирование происходило по всей траектории сплошным потоком. При закрытии трубки (прекращение эжекции воздуха по оси струи) угол раскрытия факела струи увеличивался, т.е. нарушалась ее ком-
пактность. Однако при последующем открытии эжекторного устройства качество струи значительно улучшалось. Такое периодическое прерывание эжекции воздуха по оси струи позволяло создавать импульсную струю еще с большей производительностью по разрушению массива пород. Это происходило вследствие того, что восстановленная компактная струя (при открытии воздушной трубки) воздействовала на забой, при отсутствии водяной демпфирующей подушки.
Последующие испытания гидромонитора показали, что струя периодически нарушает свою компактность. Хотя в целом струеформирование было хорошее.
После остановки подачи воды на гидромонитор и осмотра проточного канала (при снятой насадке) было установлено, что на двух (из трех) пластин центраторов находились водоросли, которые попадая в насос в месте забора воды, вероятно в стволе гидромонитора периодически смывались напорным потоком, нарушая целостность водяной струи.
В процессе испытаний нами был отмечен следующий фактор, позволяющий гидромонитору работать в двух режимах в зависимости от технологических операций.
Наличие воздушной трубки в канале цилиндрического выходного участка насадки перекрывает его полезные сечения, что определяет относительно меньшую водопроизводительность гидромонитора. Переместив воздушную трубку в коническую часть насадки (что было и сделано) получали возможность работы гидромонитора в двух режимах:
• при закрытой воздушной трубке, поток напорной воды обтекает выходной срез воздушной трубки в конической части насадки, затем полным сече-
нием проходит через цилиндрический участок. Таким образом, формируется струя штатного гидромонитора с первоначальной водопроизводительностью;
• при эжекции поток напорной воды обтекает выходной срез воздушной трубки в конической части насадки и затем кольцевым сечением с внутренней воздушной полостью проходит через цилиндрический участок. При выходе из насадки струя разгружается внутри от избыточного давления и обжимается атмосферным по всей длине, формируя плотный компактный поток с уменьшенной водопроизводительностью, но с большим удельным давлением на размываемую породу.
Проведенные наблюдения, анализ и опытные испытания подтверждают изложенные выше соображения относительно существования внутри струи, истекающей из насадки избыточного статического давления. Быстрое изменение его на границе выходного сечения насадки (при контакте с атмосферой) является основной причиной последующего разрушения струи в воздухе по мере удаления от насадки. С достаточным основанием уже сейчас можно сделать заключение о возможности реального улучшения качества гидромониторных струй (даже диаметров насадок до 150 мм) путем подвода атмосферного возду-
ха к переходному участку конической части насадки в цилиндрическую (для гидромонитора ГДМ-350) и к цилиндрической части (для гидромонитора ГМН-250) при использовании пустотелой трубки.
Как указывалось выше, такое положение воздушной трубки позволит получить возможность работы гидромонитора в двух режимах:
• в режиме подрезки забоя (воздушная трубка открыта);
• в режиме обрушения смыва размытой горной массы при штатной производительности гидромонитора (воздушная трубка закрыта).
Таким образом, экспериментально подтверждена возможность повышения разрушающей способности гидромониторной струи на 25—30 % для гидромониторов большого диаметра (ГМД-350 и ГМН-250) за счет использования эффекта автомодельного процесса оптимального струеформирования с нейтрализацией кавитационной нестационар-ности внутри струи.
Разработанные технические мероприятия значительно улучшают качество струеформирования и повысят производительность гидромониторов различных типов и модификаций при размыве горной массы в сложных горногеологических условиях. ШИН
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Малухин Н.Г. — доктор технических наук, профессор, зав. кафедры «Геотехнология руд редких и радиоактивных металлов";
Дробатенко В.П. — доктор технических наук, профессор, зав. кафедры "Комплексное ос-воеини и экология россыпных морских месторождений";
Клочков Н.Н. — кандидат технических наук, профессор;
Тимошенко С.В. — кандидат технических наук, доцент,
РГГРУ им. Серго Орджоникидзе, [email protected]
