КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СТРУИ
Основные понятия
Гидравлической струей называется поток жидкости, не имеющий твердых границ. В гидромеханизации в основном применяются незатопленные гидравлические струи, т. е. струи воды, вытекающие из насадка в атмосферу. При подводной разработке грунтов струя воды оказывается затопленной, поскольку ее окружает однородная с ней среда.
Основное назначение струй в гидромеханизации— разрушение грунтов, различных горных пород и залежей полезных ископаемых. Гидравлические струи для гидромеханизации создаются гидромониторами.
Окончательное формирование струи в гидромониторе осуществляется насадком — коротким коноидальным патрубком, закрепляемым на конце ствола гидромонитора. Качество и структура гидромониторной струи определяются давлением перед гидромониторным насадком, диаметром выходного сечения насадка, профилем насадка, качеством обработки его и условиями подвода воды к насадку.
Обязательным условием является отсутствие воздуха в подводимой к насадку жидкости. Если в жидкости имеется воздух, то при выходе ее из насадка воздух расширяется и рвет струю с характерным сухим треском. Воздух может попасть при засасывании жидкости насосом, через неплотности на всасывающей линии насоса или в соединениях гидромонитора (например, в области верхнего шарнира).
При отсутствии в потоке воздуха, при хорошей обработке поверхности насадка и локализации винтовых движений жидкости в стволе гидромонитора основным фактором, определяющим структуру струи, является давление перед насадком.
По давлению перед насадком гидравлические струи подразделяются на следующие категории: до 15 кгс/см2 — струи низкого давления; 15—50 кгс/см2 — среднего давления; 50— 600 кгс/см2 — высокого давления; более 600 кгс/см2 — сверхвысокого давления. Хотя такое деление кажется условным, оно имеет некоторое физическое обоснование.
Струи низкого давления (рис. 7) имеют гладкую поверхность, которая сохраняется на достаточно длинном участке I, начиная от выхода из насадка. Наличие гладкой поверхности обусловливается в основном действием (в области соприкасающихся сред) силы поверхностного натяжения.
Если смотреть на такую струю чистой воды, то она кажется замерзшей или хрустальной: ничто не обнаруживает перемещения в ней масс жидкости. Только на некотором удалении от насадка (участок II) на поверхности струи возникают поперечные волны, похожие по форме и происхождению на волны зыби.
На III участке сохраняется ядро струи, не насыщенное воздухом и имеющее одинаковые скорости в точках данного сечения. На этом участке начинается увлечение воздуха и заметно постепенное увеличение диаметра струи. Участок IV насыщен воздухом. На V участке струя распадается, и только конечные массы жидкости в воздушной среде продолжают свое движение, сохраняя до некоторой степени очертание струи.
Из сказанного видно, какую большую роль играет воздух в формировании структуры струи. Чем меньше диаметр струи, тем больше ее относительная поверхность и тем большее влияние оказывает воздух на ее движение. При больших скоростях струй обмен между воздушной средой и жидкостью струи становится активным, воздух в большом количестве увлекается в движение и влияние его на состояние струи становится настолько значительным, что струи высоких и сверхвысоких давлений быстро распадаются в воздухе.
Струи низкого давления в гидромеханизации применяются для разработки несвязных грунтов и для смыва насыпных материалов. Струи среднего давления составляют основную категорию гидромониторных струй при выполнении земляных и иногда горных работ. Скорость на поверхности этих струй такова, что сила трения струи о воздух оказывается преобладающей над силой поверхностного натяжения. На поверхности тангенциального разрыва образуются вихри, биение которых заметно в дымке, окружающей струю. Дымка представляет собой водную пыль, находящуюся в вихревом движении.
Такая картина особенно характерна для струй высокого и сверхвысокого давления (рис. 8).
При давлениях перед насадком порядка 600 кгс/см2 и выше скорость истечения жидкости становится равной или большей по значению, чем скорость распространения звука в воздухе. При таких скоростях возникают особые явления, такие, как разрыв сплошности подтекающего к струе воздуха и образование в связи с этим вакуумных областей. Условия турбулентного перемешивания в толще струи изменяются. Струи высокого и сверхвысокого давления обладают огромной разрушительной силой. Они режут твердые (изверженные) породы и даже сталь.
Струи высокого и сверхвысокого давления применяют при добыче полезных ископаемых гидравлическим методом и в других случаях, когда возникает необходимость разрушения очень крепких пород.
Диаметр струи на всем протяжении начального участка, т. е. от выхода из насадка до конца ядра, можно принимать одинаковым и равным диаметру d0 выходного отверстия насадка. Далее диаметр струи начинает увеличиваться.
По данным Г. Н. Абрамовича, диаметр струи на расстоянии I от начального участка равен:
Высота и дальность полета струи
Вопрос о высоте и дальности полета гидромониторных струй имеет большое практическое значение при определении местоположения гидромонитора в карьере по отношению к забою.
Высота подъема направленной вверх струи без учета сопротивления воздуха определяется по выражению
При гидромониторной разработке грунтовых массивов, имеющих большую мощность, как, например, при вскрышных работах, высота разработки может быть более 100 м. В данном случае разработку следует вести уступами; высоту уступа обычно принимают в пределах 20 м. Такая высота уступа определяется расстоянием эффективного действия мощных гидромониторных струй.
Из этой формулы видно, что теоретически наибольшая дальность полета струи достигается при наклоне ствола гидромонитора к горизонту под углом а = 45° (в действительности из-за влияния воздуха примерно 30—35°).
Целесообразно, если позволяют условия, располагать гидромонитор как можно ближе к забою. Неэффективно разрабатывать грунт разрушенной частью струи. Необходимо стремиться к тому, чтобы струя достигала разрабатываемый массив своей компактной частью, величина которой определяется по формуле (9) или по следующей эмпирической формуле Й. П. Гавырина:
Воздействие струи на грунт
Разрушаемый гидромониторной струей грунтовый или горный массив является твердой преградой для струи, на разрушение которой расходуется ее энергия, причем сама струя полностью разрушается.
Количественное выражение для оценки динамического воздействия струи на преграду дал Д. Бернулли, воспользовавшись теоремой о равенстве изменения количества движения системы импульсу действующей силы. В применении к рассматриваемой задаче эту теорему можно записать в следующем виде:
Выражение (12) задано для случая воздействия струи на плоскую преграду, установленную перпендикулярно оси струи.
Полученные формулы определяют давление струи в непосредственной близости от насадка.
Однако давление по длине струи уменьшается, поскольку энергия струи расходуется на взаимодействие с воздухом и на внутреннюю перестройку частиц жидкости внутри и на поверхности струи.
В производственных условиях, когда забой находится на значительном расстоянии от насадка гидромонитора, естественно интересуются производственным давлением струи, т. е. тем давлением, которое свойственно струе на расстоянии от насадка.
Для оценки этого давления Г. Н. Роер предложил следующую формулу:
Коэффициент т для средних условий берется по графику (рис. 9).
В случае обтекания плоского предмета небольших размеров (рис. 10) или воздействия струи на округлую поверхность (например, валун) сила воздействия струи определится по формуле
Если поверхность, воспринимающая действие струи, вогнута, то формула для определения динамического давления примет вид
Следовательно, необходимо стремиться устанавливать гидромонитор возможно ближе к забою, а струю направлять перпендикулярно поверхности разрабатываемого массива. Из формулы (11) видно, что дальность полета гидромониторных струй будет больше при большем значении произведения. Основную роль здесь играет увеличение.
Следует иметь в виду, что воздействие струи на преграду вначале (при ударе струи) примерно в 2 раза больше стационарного воздействия. Учитывая это явление, появилась мысль о создании гидромониторов с пульсирующим действием струи.
Практика эксплуатации гидромониторов показала, что для наиболее эффективной работы гидромонитора (в основном для увеличения дальности полета струи) угол а следует увеличивать примерно до 20°; дальнейшее увеличение дальности полета струи с увеличением угла а до 45° происходит за счет удлинения распыленной части струи.
Для определенных значений угла а и диаметра насадка d0, при которых гидромонитор будет эффективно работать в данных производственных условиях, Н. П. Гавырин рекомендует следующее выражение для определения предельного значения длины, м:
Наблюдается аналогичная зависимость удельного расхода воды от давления струи: для каждой породы существует некоторый оптимум давления, при превышении которого эффективность разработки падает.
Каждая категория грунта и породы требует для их эффективного размыва более или менее определенные оптимальные значения удельных давлений струи и удельных расходов воды. В табл. 5 приведены водопроизво- дительность гидромонитора (при различных диаметрах насадков) и скорость струи при вылете из насадка в зависимости от напора перед насадком.
При разработке данной категории грунта оптимальным следует принимать то давление, при котором требуется минимальное количество воды на разработку 1 м3 грунта. Мощность в киловольтах, затрачиваемая на разработку 1 м3 грунта, может быть определена по следующей формуле:
Поскольку расстояние от, гидромонитора до забоя принимается равным высоте забоя, то необходимое давление струи косвенно определяется высотой уступа.
Чем больше высота уступа, тем больше должно быть начальное давление струи, которое могло бы обеспечить оптимальное давление струи в створе забоя.
При высоких забоях шаг передвижжи должен быть около 6—10 м. Таким образом, оптимальное удельное давление струи определяется физическими свойствами породы, а расстояние оу гидромонитора до забоя обусловливается высотой разрабатываемого забоя. Остается определить напор у насадка гидромонитора, учитывая качество грунта и расстояние между гидромонитором и забоем. Требуемый напор в м вод. ст. можно определить по формуле
Значение коэффициента т рекомендуется определять по графику на рис. 9.
Опытное изучение воздействия гидромониторных струй на преграды
Наиболее капитальные исследования динамического воздействия гидромониторных струй на преграды выполнялись на опытных стенках ВНИИГидроуголь, в лаборатории гидромеханизации института горного дела им. Скочинского, в Московском горном институте, на марганцевой гидрошахте № 21 треста Никопольмарганец и угольной гидрошахте № 4 треста Орджоникидзеуголь.
На основании опытных данных об изменении удельного давления по длине струи Г. П. Никонов предложил следующую расчетную формулу:
Г. А. Нурок и Э. И.Агаева на основе теоретических исследовании параметров струи получили расчетную формулу для определения давления струи на преграду в зависимости от расстояния от насадка. Эта формула в упрощенном виде аналогична формуле Г. П. Никонова (24) и хорошо подтверждается опытными данными ИГД им. СКОЧИНСРЮГО И ЦНИГРИ (канд. техн. наук А. Д. Алексеева).
Ниже описываются исследования некоторых характеристик гидромониторных струй, выполненные на гидрошахте № 21 треста Ни- копольмарганец А. П. Юфиным и Ф. М. Дол- гочевьш.
Опытная установка (рис. 12) состояла из бетонного лотка достаточной длины с поперечным сечением ВН—11 м2. В начале лотка устанавливали гидромонитор ГМШ-150 со сменными насадками, применяемыми при гидродобыче марганцевой руды.
Струя 2 гидромонитора 1 ударяла в металлический щит, смонтированный на специальной тележке 3, которая перемещалась по рельсам 4, проложенным по бокам канала. Струи воды после удара в щит стекали в лоток, из которого через измерительный вода поступала опять в приемный зумпф питающего гидромонитор насоса. Щит соединяли с поршнем цилиндра, установленного на тележке. Цилиндр заполняли маслом. Тележку закрепляли на рельсах на требуемом расстоянии от гидромонитора. К цилиндру присоединяли образцовый манометр и специальный датчик, по показаниям которых определялось давление масла в цилиндре. Произведение среднего давления на площадь поршня давало величину суммарного давления гидромониторной струи на щит.
Гидромонитор был снабжен специальными приспособлениями для фиксированных перемещений ствола в вертикальной и горизонтальной плоскостях, для определения диаметра струи в створе установки щита и для изменения расхода жидкости, проходящей через гидромонитор, а следовательно, и для изменения напора перед насадком.
Щит был оборудован устройствами, позволяющими измерять давление в любой точке сечения струи в створе щита. Диаметр отверстия, по которому отбиралось давление, равнялся 3 мм.
По данным замеров строили эпюры давления струи на щит при различных параметрах струи и разном удалении щита от гидромонитора.
Зависимость потерь напора и расхода для испытанного гидромонитора выражалась формулой
Увеличение давления на коэффициент а> 1 можно объяснить тем, что не все струйки воды стекают по щиту параллельно его плоскости (см. рис. 12), некоторые струйки отражаются от щита под различными углами. Если бы отражение было полным (как в ковшах турбины Пельтона). Следует ожидать, что и при разработке грунта струями а>1.
Определение удельного давления струи на щит и распределение давлений по щиту показали, что для всех насадков, как правило, при повышении давления перед насадком конусность струи, а следовательно, ее диаметр у щита увеличиваются, поэтому удельное давление на щит уменьшается.
Характер распределения давлений по щиту при двух различных расстояниях от щита до гидромонитора и при разных давлениях перед насадком (.Pi при
веден на рис. 14. Из графиков видно, что удельное давление струи на щит уменьшается с увеличением расстояния между щитом и гидромонитором.
При большом расстоянии между щитом и гидромонитором рассеивание струи от повышения давления оказывается выше, чем рассеивание струи от увеличения расстояния, поэтому удельное давление струй большого начального давления меньше, чем струй меньшего начального давления, чего не наблюдается на расстоянии. На рис. 15 дается общий характер изменения удельного давления для различных расстояний между щитом и гидромонитором и различных давлений перед насадком.