книги / Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами

и гидросмеси на рис. 3.1, можно считать, что при увеличении на­ пора насоса его подачи, соответствующие режимам работы Qa, Qe, Qc смещаются в область повышенных подач. Тогда мини­ мальные подачи при высокой консистенции (например Qc) также увеличиваются, что обеспечивает режим гидротранспорта без заиления. Что же касается при этом возможностей всасывающей линии, то при достаточном заглублении погружного насоса (на­ пример, hn > 3 м), ограничения исходя из возникновения кавита­ ционных явлений полностью исключаются. Таким образом, зна­ ние факторов, обеспечивающих минимальные удельные энерго­ затраты и максимальную производительность земснаряда, позво­ ляет определить рациональные режимы работы грунтового насо­ са, его подачи, характеризующиеся, с одной стороны, минималь­ ными удельными энергозатратами, с другой - максимальной производительностью земснаряда. На основании этих данных представляется возможным обосновать и рекомендовать рацио­ нальные режимы эксплуатации земснаряда как на стадии проек­ тирования гидротранспортной системы, так и при эксплуатации.

6, Некоторые направления использовання энергии грунтового насоса для интенсификации грунтозабора

К преимуществам плавучих земснарядов с погружными грунтовыми насосами следует отнести возможность использова­ ния энергии, создаваемой грунтовым насосом для интенсифика­ ции грунтозабора. Как известно, большинство плавучих землесо­ сных снарядов с различными вариантами установки грунтового насоса, то есть погружных или непогружных, редко обеспечива­ ют подачу гидросмеси с консистенцией выше 10 %. Обусловлено это рядом причин, а главное — недостаточно эффективными гид­ рорыхлениями и пульпообразованием. (В данной работе механи­ ческие грунтозаборные устройства не рассматриваются, так как им посвящено достаточное количество работ). При применении грунтозаборных устройств, основанных на гидродинамических явлениях, разрушение породы происходит в результате воздейст­

41

вия на нее градиента давления, превышающего градиент, необхо­ димый для сдвига частиц несвязного грунта.

Подводная разработка несвязных грунтов плавучими зем­ снарядами во многих случаях производится с применением грун­ тозаборных устройств со свободным всасыванием. При таком способе разработки несвязных грунтов редко обеспечивается по­ вышенная концентрация гидросмеси [16, 23, 30], что, конечно, является недостаточным, во-первых, из-за низкой производи­ тельности земснаряда, во-вторых, из-за повышенных энергоза­ трат гидротранспортной установки. Именно в связи с этим в по­ следние годы многие научно-исследовательские и опытно­ конструкторские работы посвящены интенсификации способа свободного всасывания. Среди этих работ, с нашей точки зрения, важными являются исследования Н.Н. Кожевникова, Б.В. Ухина, И.Н. Кожевниковой «Использование вихревого движения потока в грунтозаборных устройствах земснарядов» [17]. В этих работах приведены сравнительные характеристики всасывающих уст­ ройств с различными формами оголовок всасывающей трубы, проанализирован характер течения водогрунтовой смеси в зоне всасывания, рассмотрен процесс интенсивного вихреобразования вблизи воронки всасывания и др. вопросы. Кроме перечисленных исследований этими же авторами были разработаны другие кон­ струкции грунтозаборных устройств, например, с тангенциаль­ ным подводом в зону всасывания напорной воды, устройство ко­ аксиального типа и др. Все эти устройства способствуют повы­ шению консистенции гидросмеси, поступающей во всасываю­ щую трубу. Однако почти все предлагаемые новые грунтозабор­ ные устройства предусматривают использование дополнительно­ го насоса или эжектора, что несколько усложняет эксплуатацию земснаряда и увеличивает затраты энергии.

Следует отметить, что известное и широко применяемое гидрорыхление грунта с помощью струй воды высокого давления

— гидромониторный размыв — весьма эффективно в надводных условиях и применяется при вскрышных и других работах.

В подводных же условиях действие затопленной гидромони­ торной струи в водяной среде существенно снижается, вследст­ вие того, что ее энергия гасится значительно быстрее и на более коротком пути струи. Поэтому такой способ предварительного

42

рыхления для плавучих земснарядов не является эффективным. Кроме того, для осуществления гидромониторного размыва тре­ буется установка на земснаряде дополнительного оборудования

— высоконапорного насоса с электроприводом, что также (см. выше) приводит к усложнению техобслуживания и снижению надежности всего земснаряда.

Полезно также упомянуть следующий способ повышения интенсивности гидрорыхления, основанный на том, что наличие твердых, особенно абразивных частиц в потоке жидкости, проте­ кающей по поверхности, способствует более интенсивному раз­ рушению этой поверхности. По аналогии укажем, что это явле­ ние проявляется в процессе гидроабразивного изнашивания дета­ лей, изготавливаемых практически из всех известных материа­ лов. В связи с этим для интенсификации процесса эрозионного размыва разрабатываемого грунта рядом автором высказывалась идея насыщения размывающего потока жидкости в зоне всасыва­ ния твердыми частицами. Так, в работе [2] исследовался способ подготовки породы к выемке — гидрорыхление с помощью по­ тока, содержащего частицы размываемой породы. Этот процесс осуществлялся за счет частичного (до 30—40 %) отбора гидро­ смеси и напорного патрубка грунтового насоса земснаряда. Кро­ ме этого, производились опыты по улучшению разрушающих свойств напорных струй, вводя в них полимерные добавки (в ча­ стности, полиакриламиды) или механические абразивные приме­ си. Так, исследования, проведенные В.А. Балаевым и Н.Г. Малухиным по вводу в гидромониторную струю песчаного материала показали, что процесс разрушения опытного образца песчано­ цементной смеси существенно интенсифицировался. Глубина во­ ронки размыва в образце увеличилась в 1,6—1,8 раза, а произво­ дительность возросла в 1,4— 2 раза по сравнению с использова­ нием обычной водяной струи. Однако такой способ повышения интенсивности эрозионного гидроразмыва с помощью струит гидросмеси, поступающей из напорного патрубка грунтового на­ соса хотя и исключает разжижение гидросмеси водой, подавае­ мой на гидрорыхление, однако, не нашел в настоящее время при­ менения на практике. Это объясняется следующими причинами: снижается расход гидросмеси, поступаемой из напорного патруб­ ка насоса в трубопровод, повышается износ всех элементов сис­

43

темы, особенно напорного насадка; опасность заиления трубо­ провода при повышенных консистенциях гидросмеси [16, 17].

Анализ гидравлических потерь на всасывающей линии зем­ снаряда показывает, что они, в первую очередь, зависят от квад­ рата скоростей течения во всасывающем трубопроводе (потери на трение и в местных сопротивлениях), и при входе во всасы­ вающую трубу. Кроме того, в самом грунтозаборном устройстве потери напора определяются величиной размывающей скорости для данного типа грунта. При использовании непогружных грун­ товых насосов на земснарядах для обеспечения бескавитационного режима эксплуатации представляется целесообразным сниже­ ние указанных гидравлических потерь, то есть скоростей гидро­ смеси по всему всасывающему тракту, включая зону пульпообразования.

При установке на земснаряде погружного грунтового насоса, то есть подпора на всасьюании, снимает ограничения по значени­ ям скоростей по всему всасывающему тракту, то есть позволяет увеличить скорости во всасывающих устройствах. Кроме того, представляется возможным применить ряд специальных конст­ руктивных элементов, обеспечивающих интенсификацию про­ цесса всасывания с целью повышения консистенции гидросмеси.

Наличие подпора при погружном грунтовом насосе позволя­ ет использовать часть энергии, создаваемой грунтовым насосом, то есть его напора во всасывающем устройстве земснаряда, таким образом интенсифицировать процесс грунтозабора. Основной расход энергии при гидравлическом грунтозаборе связан с созда­ нием таких перепадов давления, которые необходимы для разру­ шения породы, гидросмесеобразования и преодоления гидравли­ ческих сопротивлений при перемещении гидросмеси до входа во всасывающую трубу.

Идея использования энергии погружного грунтового насоса при грунтозаборе (всасывании грунта) была впервые сформули­ рована Л.Н. Молочниковым еще в 70-х годах. На основании тео­ ретических и экспериментальных исследований процессов вса-

.сывания при подводной разработке грунтов им были предложе­ ны, разработаны и опробованы ряд всасывающих устройств (18, 19,21). Наиболее перспективным, с нашей точки зрения, является предложенное Л.Н. Молочниковым грунтозаборное устройство с

44

наличием в нем огражденного всасывающего потока, границами которого являются с одной стороны поверхность разрушаемой породы, а с другой — боковые и верхняя поверхности, образуе­ мые покрывающими деталями различной конструкции.

При течении в грунтозаборном устройстве с огражденным всасывающим потоком основными факторами являются наличие скорости, превышающей размывающую скорость, размывающей скорости для данной категории грунта и непостоянство конси­ стенции по длине огражденного потока, с максимальным ее зна­ чением перед входом во всасывающую трубу. Основными пред­ посылками для осуществления достаточно эффективного гидро­ размыва в рассматриваемых выше способах должны быть:

•скорость потока должна быть равной или выше размы­ ваемой скорости для данной категории грунта, то есть vBC> vp;

•градиент давления во всасывающем потоке Kv должен быть таким, чтобы обеспечить отрыв частиц от поверхности за­ боя или послойный сдвиг породы, то есть Kv > Кр.п, где Крл — градиент давления, необходимый для отрыва твердых частиц, по­ слойного сдвига грунта и взвешивания частиц грунта. Кроме то­ го, градиент Крл должен быть таким, чтобы обеспечивалась необ­ ходимая скорость потока, затраты энергии на гидравлические по­ тери, потери гидросмеси до входа во всасывающий трубопровод осуществлялись за счет энергии насоса. Аналитические исследо­ вания процессов в выше упоминаемых грунтозаборных устройст­

вах должны производиться на основе известных гидравлических и гидродинамических положений механики жидкости.

Описанный выше желобовидный всасывающий наконечник может быть выполнен в виде секций, соединенных между собой гибкой связью, выполненной при помощи эластичной рубашки и троса. Это устройство с одной стороны присоединено ко всасы­ вающей трубе, а с другой стороны имеет открытый торец. Ука­ занные и другие типы грунтозаборных устройств защищены мно­ гими авторскими свидетельствами и патентами.

Анализируя процессы, происходящие в желобовидном вса­ сывающем устройстве с ограниченным потоком, необходимо от­ метить, что эрозионный размыв по длине этого наконечника про­ исходит за счет энергии не только воды, но и движущихся с ней

45

твердых частиц грунта, которые сами являются абразивными. Именно за счет этого интенсифицируется эрозионный размыв поверхности грунта. Причем, если на входных участках желоба, где поток воды еще не насыщен твердыми частицами, не следует ожидать эффективного гидроразмыва, то на последующих участ­ ках (приближенных ко входу во всасывающую трубу), гидроаб­ разивный поток гидросмеси интенсифицирует эрозионный раз­ мыв поверхности. Проведенные Л.Н. Молочниковым в 70— 80-х годах прошлого века испытания подтвердили целесообразность применения таких устройств на земснарядах с погружными грун­ товыми насосами. Однако данных об энергоемкости такого про­ цесса, то есть затратах энергии на такой процесс грунтозабора не имеется. Это тем более важно, что КПД насосов для чистой воды,

г*^

Рис. 6.1. Г рунтозаборное

устройство с активным

вихреобразованием:

1 — всасывающий патрубок;

2 — коллектор водяной; 3 — вихреформирующая камера; 4

— струенаправляющие лопа­

сти; 5 — область вихря

46

Кроме интенсификации эрозионного гидроразмыва в ограж­ денном потоке имеется ряд предложений по перспективному ис­ пользованию грунтозаборных устройств за счет энергии грунто­ вого насоса. К ним относятся устройства с тангенциальным на­ правлением потока перед входом во всасывающую трубу, коак­ сиальный грунтозаборник с попутным сгущением потока и др. [16, 17]. На рис. 6.1 представлено грунтозаборное устройство с активным вихреобразованием.

Для оценки эффективности применения грунтозаборных устройств с использованием энергии самого погружного грунто­ вого насоса необходимо проведение широкого комплекса теоре­ тических и экспериментальных исследований и опытно­ конструкторских разработок рассмотренных выше, а также ряд других схем и конструкций грунтозаборников.

7. Технология разработки месторождений земснарядами с погружными грунтовыми пасосами

7.1. Постановка вопроса

Глубина разработки месторождений с обводненной залежью (песчано-гравийная смесь), с использованием обычных серийно выпускаемых плавучих землесосных снарядов, составляет 15—20 м. С увеличением глубины разработки фактическая высота вса­ сывания возрастает до такой величины, что работа земснаряда является невозможной или малоэффективной [24,40].

Отсутствие во время эксплуатации месторождения глубин­ ных землесосных снарядов заставляет применять двухуступную разработку с искусственным понижением горизонта воды, так как глубина разработки породы с использованием обычных землесо­ сных снарядов ограничивается всасывающей способностью грун­ товых насосов [4,40].

Из всех известных способов увеличения глубины разработки месторождений (земснаряды с эрлифтом, с эжектором, с погруж­ ным грунтовым насосом), по данным зарубежных и Российских

47

исследований, самым эффективным является погружение грунто­ вого насоса ниже уровня горизонта воды в водоеме.

ВРоссийской Федерации накоплен небольшой опыт разра­ ботки обводненных месторождений с глубиной 30 м и более.

Впроекте разработки Кошехабельского песчано-гравийного месторождения институтом ВНИПИИстромсырье предложена технологическая схема производства добычных работ, в основу которой положена двухуступная разработка, предусматривающая разработку полезной толщи сначала на глубину до 15 м, а потом

4

Рис. 7.1. Односторонняя схема разработки месторождения двум я земснаря­ дами;

1 — земснаряд № 1; 2 — земснаряд № 2; 5 — плавучий пульпопровод; 4 — ма­ гистральный пульпопровод; I, П, III — пункты подключения плавучего пульпо­ провода к магистральному; 1-1-1+ 1-1-10; II-1-1+II-1-10; Ш -1-1+Ш -1-10 — уча­ стки, отрабатываемые земснарядом № 1 от пунктов подключения I, II; III; 1-2- 1+1-2-10; II-2-1+II-2-10; Ш-2-1+Ш-2-10 — участки, отрабатываемые земснаря­ дом № 2 от пунктов подключения I, П, III; х к к — граница карт отрабаты­ ваемых земснарядами № 1 и № 2 от пунктов подключения I, II и III; К — грани­ ца блоков земснарядов № 1 и № 2; а — ширина отрабатываемого участка, рав­ ная ширине заходки земснаряда; b — длина отрабатываемого участка; с — рас­

стояние между пунктами подключения плавучих пульпопроводов к магистраль­ ному

48

— на полную глубину (общая глубина около 30 м) [4]. Расстоя­ ние между пунктами подключения плавучего пульпопровода к береговому (магистральному), в зависимости от места располо­ жения карт намыва — рекомендовано в проекте 90—100 м.

Из условия максимальной отработки площади карьера с од­ ного подключения, длину плавучего пульпопровода необходимо принимать в зависимости от расстояния и высоты транспортиро­ вания гидросмеси, сокращая ее до 50—100 м при предельных расстояниях транспортирования и увеличивая до 300—400 м при

Рис. 7.2. Двухсторонняя схема разработки месторождения двумя земснаря­ дами:

1 — земснаряд № 1; 2 — земснаряд № 2; 3 — плавучий пульпопровод; 4 — ма­ гистральный пульпопровод; I, II — пункты подключения плавучего пульпопро­ вода к магистральному; 1-1-1* 1-1-12; 11-1-1*11-1-12; 111-1-1*111-1-10 — участки, отрабатываемые земснарядом № 1 от пунктов подключения I, II; 1-2-1*1-2-10; II- 2-1*11-2-10; 111-2-1*111-2-10 — участки, отрабатываемые земснарядом Ха2 от пунктов подключения I, II; х х- х — граница карт отрабатываемых земснаряда­ ми Ха 1 и № 2 от пункта подключения Г, К — граница блоков земснарядов Ха 1 и Ха 2; а — ширина отрабатываемого участка, равная ширине заходки земснаряда; b — длина отрабатываемого участка; с — расстояние между пунктами подклю­ чения плавучих пульпопроводов к магистральному

49

небольшом расстоянии транспортирования [37]. Исходя из этого, расстояние между пунктами подключения может составлять около 100-^400 м, т.е. равное длине плавучего пульпопровода.

Однако при этом необходимо иметь в виду то, что сокращение числа береговых подключений направлено на уменьшение потерь времени и затрат на эти трудоемкие операции, а сокращение длины плавучего пульпопровода — на уменьшение потерь напора в гидротранспортной системе, так как потери напора в плавучем пульпопроводе, как известно, в 2 раза выше, чем в береговом (магистральном) [24].

Всвязи с этим длину плавучего пульпопровода следует принимать в зависимости от размеров карьерного поля и дальности транспортирования гидросмеси.

Взависимости от размеров карьерного поля, магистральный пульпопровод укладывается по его границе и на целиках, которые потом отрабатывают в последнюю очередь (рис. 7.1, 7.2).

7.2.Отработка карьерного поля на полную глубину

Применение плавучих землесосных снарядов с погружными грунтовыми насосами позволяет вести разработку месторождения на глубине до 40 м [4].

Предельная глубина разработки при использовании обычных плавучих землесосных снарядов составляет не более 17— 18 м, что заставляет применять двухуступную (двухъярусную) схему разработки толщи полезного ископаемого с искусственно пони­ женного горизонта (с понижением уровня горизонта воды).

Земснаряды с погружными грунтовыми насосами позволяют не только вести разработку месторождений на глубине 40 м и бо­ лее, но и существенно интенсифицировать добычу и уменьшить не менее чем 2 раза изъятие других (дополнительных) земель (в случае 40 м против 17— 18 м).

В соответствии с числом рабочих плавучих земснарядов, ме­ сторождение разбивается на земснарядные блоки. Каждый блок разбивается на карты, размер которых зависит от расстояния ме­

50