Тхнология разработки горных пород с применением гидромониторов

1. Общие сведения о гидромониторной технологии

Гидромонитор – это установка на полозьях или на самоходном ходу, предназначенная для размыва горных пород с помощью водяной струи из массива или навала.

Процесс гидродобычи включает:

- размыв горных пород;

- транспортирование;

- формирование гидроотвалов.

2. Основные характеристики гидромониторного оборудования.

Гидромониторы широко применяются при разработке россыпных, угольных, песочно-гравийных месторождений, а также в гидростстроительстве. Гидромониторы подразделяются:

- по назначению – для открытых горных работ, для подземных горных работ;

- по величине давления напорной воды – низкого давления до 1 МПа, среднего давления до 1 МПа, высокого давления – до 5-35 МПа;

- по диаметру насадки - 50-175 мм для открытых горных работ, 5-32 мм для подземных горных работ;

- по расходу воды – 250-3500 м³/ч для открытых горных работ, 300-400 м³/ч для подземных горных работ.

Таблиця 1

Технічна характеристика гідромоніторів

Таблиця 2

Значення питомих витрат води (q, м³/м³) та напору (Н, м.в.ст.) залежно від типу розкривних порід

Устройство гидромонитора

В общем виде конструкция гидромонитора состоит:

1 - насадка;

2 – ствол;

3 – сотовый успокоитель;

4 – шарнир для поворота ствола в вертикальной плоскости;

5 – вертикальный патрубок;

6 - шарнир для поворота ствола в горизонтальной плоскости;

7 – напорный водовод.

Рис. 2. Устройство гидромонитора

Сотовый успокоитель служит для улучшения динамических характеристик струи. Его длина составляет 1,5-2,0 диаметра ствола. Для улучшения качества гидромониторной струи стволу придают конусную форму. Длина ствола, из условия оптимизации потока, составляет 6-8 диаметров ствола (1-2) м.

Скорость полета струи определяется по формуле

, м³/с

где γ – коэффициент скорости, γ = 0,92-0,96;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Н – напор струи в момент вылета из насадки, м. в. ст.

Расход воды определяется по формуле

, м³/с

где μ – коэффициент расхода воды;

S – площадь поперечного сечения насадки, м².

Дальность полета струи определяется из выражения

, м

где α – угол вылета струи, град.

Гидравлическое разрушение горных пород напорной струей

При размыве горных пород ударом струи имеет место механическое воздействие в результате динамической нагрузки и гидродинамического воздействия за счет касательных напряжений, возникающих в массиве. При этом происходит так же вымывание солей, содержащихся в породе. В связи с активным воздействием струи на породы, разрушение ее водой происходит при меньшем давлении, чем при механических средствах. При разрушении гидромониторной струей скальных сильнотрещиноватых пород вода под давлением падает в трещины, создает внутреннее давление, увлажняет породу и снижает сцепление частиц, что и приводит к разрушению. Эффект действия гидромониторной струи оценивается такими показателями:

1. Коэффициент полезного действия струи

Кс = Р/Р₁

где Р – работа, затрачиваемая на разрушение 1 м³ породы в забое (фактическая работа), Дж;

Р₁ – работа, затрачиваемая на разрушение 1 м³ породы непосредственно у насадки (максимальная работа).

2. Коэффициент, учитывающий рассеивание струи

Кр=d_Н²/d_С²

где d_Н ,d_С – соответственно диаметры насадки и струи, м.

Эффективность гидромониторной установки определяется удельным расходом воды. Интенсивность разработки характеризуется объемом горных пород, размываемых с помощью 1 м³ воды. Она возрастает при уменьшении связности горных пород, увеличении высоты уступа до определенной высоты, уменьшении расстояния от гидромонитора до забоя и улучшении компактности струи.

Размещение гидромониторов в процессе размыва горных пород

Интенсивность размыва горных пород зависит от размещения гидромониторной установки на площадке уступа. В зависимости от типа и структуры горных пород гидромонитор устанавливают на кровле или подошве уступа. При установке гидромонитора на почве уступа процесс разрушения происходит следующим образом. Гидромониторной струей вначале создается врубовая щель по всему фронту размыва. Когда врубовая щель достигнет определенной глубины, происходит обрушение массива. При падении нарушается структура породы, что в значительной степени облегчает размыв.

Процесс размыва включает три операции:

- подрезка уступа;

- смыв обрушенной породы;

- размыв породы и промывка пульпоприемной канавы.

Глубина вруба зависит от сцепления пород и составляет 0,8-2,5 м. Размыв песков часто осуществляют без образования заметного вруба.

При размещения гидромонитора на кровле уступа направление движения струи совпадает с направлением перемещения пульпы. К достоинствам такой схемы следует отнести благоприятные условия труда и минимальный объем недомыва. На практике высота недомыва составляет 1,5-2,0 м. Объем недомыва убирают бульдозером или драглайном.

L _min

2 1

Рис. 3. Технологічна схема розмивання гірських порід зустрічним вибоєм:

1 – гідромонитор; 2 – водовід; 3 − зумпф; 4 – землесос; 5 − пульповід

Розрахунок параметрів гідромониторного розмивавння гірських порід зустрічним вибоєм

1. Визначають мінімальну відстань від гідромонітора до вибою за формулою:

L _min = К · Н _у, м,

де Н _у – висота уступу, м; К – коефіціент наближення гідромонітора до вибою (при ручному керуванні К = 1, при дистанційному К = 0,5).

2. Обчислюють максимальну відстань від гідромонітора до вибою за такою формулою:

L _max = 0,4· Н, м,

де Н – напір струменя, м.вод.ст.(див. табл. Д 1).

3. Визначають відстань, на яку пересувається зумпф за таким рівнянням:

Ш = L _max – L _min, м.

4. Встановлюють ширину гідромоніторної заходки таким чином:

А_Г = , м.

5. Обчислюють об’єм гірської породи, що розмивається гідромонітором з одного місця встановлення за такою формулою:

V_Г = А_Г · Ш · Ну, м³.

6. Визначають висоту недомиву, тобто

h_Н = Ш · і, м,

де і – величина похилу, тис. (див. табл. 1).

7. Обчислюють об’єм недомиву таким чином:

, м³

8. Визначають час циклу роботи гідромонітора за такою формулою:

, год,

де t_M – час на монтаж трубопроводу, год; t_д − час на демонтаж трубопроводу, год; t_П – час на пересувку гідромонітора; Q_П – продуктивність гідромонітора стосовно породи, м³/год.

Q _П = Q_В / q, м³/год,

де Q _В – продуктивність гідромонітора стосовно води, м³/год,; q – питомі витрати води, м³/м³.

9. Будують схему гідравлічної розробки гірських порід у масштабі за рис. 3.

Основные характеристики гидромониторного оборудования

Насосные станции подразделяются по характеру тработ на основные и перекачные. По назначению различают на станции непосредственно питающие гидромониторную установку и станции подпитки. По расположению станций относительно источника бывают плавучие и сухопутные.

Грунтовые насосы (землесосы) применяют на ОГР обычно центробежные (лопастные. Конструкция таких насосов предусматривает быструю замену изношенных деталей. Для извлечения застрявших кусков породы в отводе во твсасывающем трубопроводе имеются специальные люки. Переед каждым пуском насоса через всасывающий трубопровод насос заливают водой при помощи отсоса воздуха из отвода эжектором.

Для перекачки сухого материала или гидросмеси применяют гидроэлеватор. Это простейшее устройство не имеющее движущихся частей. Он является самовсасывающим насосом не требующим предварительной заливки водой

Рис. 4. Гидроэлеватор: 1 – насадка; 2 – всасывающий патрубок; 3 – приемная камера; 4 – конфузор; 5 – смесительная камера; 6 – дифузор.

Процесс гидротранспорта пород на открытых горных работах

Гидротранспорт – это процесс перемещения твердых материалов потоком воды. Различают самотечный и напорный гидротранспорт. Самотечный гидротранспорт возможен при достаточном наклоне площадки и осуществляется по деревянным или металическим желобам или канавам, а в отдельных случаях по трубам при неполном заполнении их сечения гидросмесью.

Напорный гидротранспорт происходит под действием избыточного напора, создаваемого насосами, при котором жидкость движеться по трубопроводам, или же при разности гидравлических высот на всасывании и пункте приема.

Гидросмесь или пульпа – это смесь твердого материала и воды.Она характеризуется такими показателями как консистенцмя и концентрация. Консистенция – это отношение массы или объема твердых частиц к массе или объему воды. Концентрация - это отношение массы или объема твердых частиц к массе или объему пульпы. На состав и качество гидросмеси влияют так же свойства горных пород такие как плотность, пористость, растворимость.

Расчет напорного гидротранспорта

1. Обчислюють продуктивність гідроустановки стосовно пульпи, використовуючи таку формулу:

Q_п = Q_тп ·[ q + (1 - m)], м³/год,

де Q_тп − продуктивність гідроустановки стосовно твердої породи, м³/год; q − питомі витрати води, м³/м³; m – пористість гірських порід, m = 0,3....0,4.

2. Визначають щільність гідросуміші таким чином:

, т/м³,

де Р_т – щільність гірської породи, Р_т = 2,6 т/м³.

3. Встановлюють орієнтовний діаметр трубопроводу, тобто

, мм,

де V ¹ _кр – орієнтировна критична швидкість руху гідросуміші, V ¹ _кр = 2,5...3,3 м/с.

Після обчислення D_о, його значення округлюють до стандартного

(зовнішнього) діаметру та визначають внутрішній діаметр, (див. табл. Д4), а саме:

D_вн = D_о – 2 t, мм,

де t – товщина стінки труби, мм, (див. табл. Д4).

4. Визначають критичну швидкість руху гідросуміші за такою формулою:

, м/с,

де g – прискорення вільного падіння, м/с²; Рв – щільність води, Рв = 1,0 т/м³; с – коефіцієнт, що враховує вміщення дрібних фракцій по масі, с = 0,3; к – емпіричний коефіцієнт, для порід к = 1,4, для вугілля к = 1,9; λ_П – коефіцієнт гідравлічного опору при переміщені пульпи по трубопроводу, λ_П = 0,55; λ_в – коефіцієнт гідравлічного опору при переміщені води по трубопроводу, λ_в =

= 0,018.

5. Обчислюють фактичну швидкість руху гідросуміші, а саме,

, м/с,

Якщо V_ф > V_кр на 15-20%, то трубопровід вибрано правильно. В іншому випадку беруть другий діаметр і розрахунки повторюють.

6. Розраховують втрати напору при переміщенні гідросуміші по трубопроводу за такою формулою

, м. вод. ст.,

де L – довжина трубопроводу, м.

7. Далі обчислюють необхідний напір землесоса, тобто

h _з= h_г + h_м + h_п + h_зал, м. вод. ст.,

де h_М – втрати напору внаслідок місцевих опорів по довжині трубопроводу,

h_M = 0,1 h_г, м. вод. ст.м. вод. ст; h_п − висота підйому пульпи, м (табл. 2); h_зал – залишковий напір в кінці трубопроводу, h_зал = (3−5) м. вод.

Расположение горных пород в отвале

Расположение гидроотвталов и их назначение.

Гидроотвал предназначен для разрушения вскрышных пород, поступающих из карьера в виде гидросмеси. Гидроотвал является специально гидротехническим сооружением, где проходят процессы приема гидросмеси из нее породы, осветление и удаление отработанной воды.

Гидроотвалы могут сооружаться в котлованах, в вырабатываемом пространстве карьера и равнинах. При расположение гидроовалов на равнине первоначально сооружают дамбы обвалования. В зависимости от высоты отвала различают гидроотвалы низкие – до 10м;

средние – 10-30м;

высокие – более 30м.

По степени ответственности гидроотвалы делятся на 3 класса

1) Особо ответственные: к ним относятся высокие и средние отвалы, разрушение которых сопряжено катастрофическими последствиями для населенных пунктов.

2) ответственные: к ним относятся средние и низкие отвалы, разрушение которые не вызывают серьезных последствий.

3) малоответственные: это низкие отвалы, которые расположены вне застроенных местах.

В зависимости от грунтов из которых сооружают ограждающие дамбы, гранулометричексого состава и удельного веса пород гидроотвалы подразделяют на 2 типа:

1) гидроотвалы, которые заполняют пылеватоглинистыми или илистыми породами, крупность менее 0,05 мм. При этом ограждающие дамбы сооружают из природных пород.

2) гидроотвалы, которые заполняют преимущественно песчаными или песчано-глинистыми, породами, содержащими более 40% частиц крупнее более 0,05 мм. При этом ограждающие дамбы сооружают из намывных пород.

Гидроотвалы бывают одноярусные или многоярусные. Одноярусные отвалы формируют при заполнении их пылеватоглинистыми породами.

Удаление отработанной воды из гидроотвалов

Вода считается осветленной если содержание примесей составляет 0-5 г на литр. Схемы с непосредственным забором (рис. 5) применяют при складировании в отвал крупнозернистых пород (d > 0,05).

При складировании тонкодисперсных пород применяют схемы с сооружением пруда-отстойника (рис. 6).

Рис. 5. Удаление отработанной воды из гидроотвала: 1 – пульповод; 2 – дамба начального обвалования; 3 – насосная станция; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – водовод.

Рис. 6. Удаление отработанной воды из гидроотвала: 1 – пульповод; 2 – дамба начального обвалования; 3 – насосная станция; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – водовод; 6 – водосборный колодец; 7 – водосбросная труба; 8 – пруд-отстойник.

Разработка горных пород земснарядами.

Земснаряд – это плавучая землеройная машина, предназначенная для выемки горной массы из-под воды и транспортирования на гидроотвал и ОФ.

Классификация земснарядов:

Земснаряды делятся:

1. По условию применения: для вскрышных и добычных работ, для проходки каналов, для намыва горнотехнических – сооружений;

2. По производительности: не большой производительности (до 100 м³ /ч), средней производительности (100 – 500 м³/ч), большой производительности (более 500 м³/ч).

3. По назначению: для выемки пород со дна рек, морей и океанов.

4. По конструкции грунто-заборного устройства: без предварительного рыхления пород, с предварительным рыхлением, с механическим рыхлением, с применением эрлифтов.

5. По способу перемещения: с применением свай, с применением канатов.

		Рис. 7. Разработка горных пород земснарядами. 1 – земснаряд; 2 – якорь; 3 – трос; 4 – плавучий пульповод; 5 – катер; 6 – подъемный кран; 7 – пульповод на поверхности.       Драга – это специальное судно, предназначенное для выемки горной массы из-под воды, подачи ее на поверхность, извлечения полезных компонентов, первичного обогащения и отделения пустых пород. Драги бывают эклектические, дизельные и дизель-электрические. По емкости черпаков драги подразделяются на малолитражные (до 80 л), среднелитражные (100-250 л) и большелитражные (400-600 л).

Разработка месторождений драгами.

Драга – это специальное судно, предназначенное для выемки горной массы из-под воды, подачи ее на поверхность, извлечения полезных компонентов, первичного обогащения и отделения пустых пород. Драги бывают эклектические, дизельные и дизель-электрические. По емкости черпаков драги подразделяются на малолитражные (до 80 л), среднелитражные (100-250 л) и большелитражные (400-600 л).

Рис. 8. Разработка месторождений драгами: 1 – драга; 2 – перемычка из вскрышных пород; 3 – эфельные отвалы; 4 – вскрышной драглайн; 5 – внешний отвал; 6 – пульповод на плаву; 7 – пульповод на поверхности; 8 – приямок для приема пульпы; 9 – экскаватор для погрузки концентрата; 10 – автосамосвал.

Планування гірничих робіт при розробці розсипних родовищ драгами

Добова продуктивність екскаватора

, м³/доб.,

де - річна продуктивність екскаватора, млн. м³/рік; ТГ – число робочих днів на рік.

Добова продуктивність драги

, м³/доб.,

де V_д^Г - річна продуктивність драги, м³/рік.

Витрати часу на розробку дільниці L 1 (ПК-0 – ПК-1)

драглайном , діб,

де L ₁ – довжина першої дільниці, м; А ₁ – ширина заходки на першій дільниці, м; Н ₁ – потужність розкривних порід на першій дільниці, м; К_{П 1} – коефіцієнт переекскавації розкриву на першій дільниці.

драгою , діб

де h ₁ – потужність корисної копалини на першій дільниці, м.

Витрати часу на розробку дільниці L 2 (ПК-1 – ПК-2)

драглайном , діб

драгою , діб

Витрати часу на розробку дільниці L 3 (ПК-2 – ПК-3)

драглайном , діб

драгою , діб

Витрати часу на розробку дільниці L 4 (ПК-3 – ПК-4)

драглайном , діб

драгою , діб

Витрати часу на розробку дільниці L 5 (ПК-4 – ПК-5)

драглайном , діб

драгою , діб

Витрати часу на розробку дільниці L 6 (ПК-5 – ПК-6)

драглайном , діб

драгою , діб

Побудувати планограму гірничих робіт і по ній визначити кількість розкритих запасів корисної копалини згідно (рис. 3).

_{L 5 ПК-5 L 6 ПК-6}

_{ПК-4 L 4}

_{L3 ПК-3}

_{ПК-2 L 2}

_{ПК-0 L 1 ПК-1}

Рис. 9. Розкройка дражного полігону

_{t ,діб Драга}

_{Драглайн}

_{ПК-0 ПК-1 ПК-2 ПК-3 ПК-4 ПК-5 ПК-6 L , м}

Рис. 10. Планограма гірничих робіт

Основные схемы расположения водоносных горизонтов

Уровень

грунтовых вод

~.~.~.~.~.~.~ ~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~ ~.~.~.~.~.~.~.~.~

……………. …………………………….. ……………..

……………. …………………………….. ………………..

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Рис. 11. Безнапорные пласты: 1 – водоупор; 2 – водоносный пласт; 3 – песчаноглинистые породы; 4 – отметки появления воды при бурении скважин.

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

……………. …………………………….. ……………..

……………. …………………………….. ………………..

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Рис. 12. Напорный водоносный пласт: 1 – водоупор; 2 – водоносный пласт; 3 – отметки появления воды при бурении скважин.

~.~.~.~.~.~.~.~.~ ~.~.~.~..~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~

~.~.~.~.~.~.~ ~.~.~.~.~.~..~.~.~ ~.~.~.~.~.~.~.~.~

~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~. ~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~

…………….…………. ………....………………..

………………………… ……………………………

Рис. 13. Приток воды в совершенные котлованы в безнапорных пластах

~.~.~.~.~.~.~ ~.~.~.~.~.~..~.~.~ ~.~.~.~.~.~.~.~.~

~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~. ~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~

………………….………………..…………..……………….

…………….……………