obschee

Показатель степени k характеризует интенсивность процесса распада струи и уменьшения его осевого динамического давления по мере увеличения расстояния от насадки. Чем больше значение k, тем хуже компактность струи. Для низконапорных водных струй при насадке диаметром 50…190 мм k=0,5.

3) Начальный участок струи

Длина начального участка струи зависит от разных факторов, из которых наиболее важными являются выходные параметры струи,

формирование ее в стволе гидромонитора, форма и качество обработки внутренней поверхности насадки.

Исследована зависимость для низконапорной гидромониторной струи, lн / d0 = f (Re), которая применяется на открытых горных работах.

Эта зависимость имеет линейный характер и описывается уравнением

где Re = v0·d0/υ – число Рейнольдса для начального сечения струи; v0 – скорость истечения струи из насадки;

d0 – диаметр насадки;

υ – кинематический коэффициент вязкости (υ = 1,01·106 м2/с при температуре воды 20°С);

A, B – эмпирические коэффициенты (см. табл. 3.3).

С увеличением диаметра насадки длина начального участка струи увеличивается.

31

Таблица 3.3 – Значения эмпирических коэффициентов A и B

4) Среднее динамическое давление струи

Действие струи на массив зависит от среднего динамического давления по сечению струи в точке контакта с забоем и от площади этого сечения. Среднее динамическое давление струи

pω 1 p d P , (3.5)

где ω – площадь поперечного сечения струи;

p – динамическое давление в некоторой точке сечения;

P – суммарная сила динамического давления.

Поскольку с увеличением расстояния от насадки струя расширяется и теряет часть своей энергии, то

32

где ω0 – площадь выходного отверстия насадки;

φ1, φ2 – коэффициенты, которые учитывают уменьшение силы давления и среднего динамического давления струи на расстоянии l от

насадки.

Между коэффициентом φ1 и расстоянием l на участке 6…25 м

при насадке диаметром 57…75 мм и напоре струи 50…85 м существует

следующая зависимость

Коэффициент φ2 зависит от расстояния до насадки, диаметра и качества насадки, начального напора перед ней, особенностей формирования струи в гидромониторе и других факторов. Для определения коэффициента φ2 при использовании насадок диаметром больше 50 мм и l/d0 > 20 Г. Н. Роером предложена эмпирическая формула

2

где a – эмпирический коэффициент, который определяется по графику

(рис. 3.6).

33

Рисунок 3.6 – График для определения коэффициента а:

1 – для участка струи в пределах 0…10 м от насадки;

2 – тоже, 10…20 м;

3 – по всей длине струи

Для насадок диаметром 100…190 мм среднее динамическое

давление струи

пределах начального участка струи и за его пределами.

5) Диаметр струи

За пределами насадки гидромониторная струя постепенно

расширяется. Это обусловлено существованием в струе поперечных

скоростей, которые вызваны турбулентностью потока при выходе струи

из насадки и ее взаимодействии с воздухом. На расстоянии l от насадки

диаметр струи определяется по эмпирической формуле

34

где μ = 0,9…0,98 – коэффициент потери насадки.

При насадке диаметром 50…75 мм и давлении 0,6…0,9 МПа диаметр струи определяется по формуле

где k = 1,1…1,46 – коэффициент, который учитывает аэрацию струи и зависит от диаметра насадки и начального напора.

Рисунок 3.7 – Схемы действия струи на перпендикулярную к оси струи (а), наклонную (б), выпуклую (в) и вогнутую (г)

препятствия

6) Сила удара струи о препятствие

Если струя по своему движению встречает плоское препятствие,

которое расположено перпендикулярно к оси струи [ ], рисунок 3.7 а,

35

на основе теоремы про равенство изменения импульса и импульса внешней силы получим

где ρс, vс и ω – средняя плотность, средняя скорость и площадь сечения струи на расстоянии l от насадки.

Для определения силы удара струи о плоское препятствие,

расположенного перпендикулярно к оси струи, можно воспользоваться эмпирической формулой

Гидромониторная струя может встретить на своем пути разные препятствия. В зависимости от формы препятствия, расстояния от насадки до препятствия и параметров струи сила ее удара о препятствие изменяется. Для случая, когда струя встречает на своем пути плоскую стенку, наклоненную под некоторым углом θ к направлению движения

36

Таким образом, наибольшая сила возникает при действии струи на лунку в массиве (вдвое больше, чем при действии на плоскую поверхность), а наименьшая – при действии на наклонную поверхность или на выступ.

3.1.7 Параметры затопленной струи

Подводная добыча полезных ископаемых с предварительным взрыхлением породы перед ее всасыванием осуществляется с использованием затопленной струи. Для повышения эффективности работы гидравлических разрыхлителей и выбора их параметров необходимо обнаружить влияние этих параметров на диаметр и скорость движения струи в зависимости от расстояния до насадки.

Затопленной называется струя, для которой выполняется условие ρ ≤ ρ1, где ρ и ρ1 – плотность вещества струи и окружающей среды. Поскольку на практике практически всегда ρ ≈ ρ1 (водная струя двигается в воде), то в дальнейшем будем рассматривать только этот случай.

В соответствии с исследованиями И. М. Коновалова, при истечении струи в неподвижную среду секундное количество движения вдоль оси струи постоянное (силы трения делают очень незначительное влияние на движение струи), то есть

37

где ω0, ω – площади выходного сечения насадки и сечения струи на расстоянии l от насадки;

v0, v – начальная скорость струи и ее средняя скорость на расстоянии l от насадки.

В результате им были получены следующие формулы для

расчета параметров затопленных струй:

1) Скорость потока вдоль оси струи

где m – коэффициент, который по данным экспериментальных исследований равен 2,9…3,0.

2) Давление вдоль оси потока

где pср – давление в окружающей среде.

3) Истечение воды в любом сечении струи

где Q0 – истечение воды через насадку, м3/с.

38

4) Мощность струи

где E0 – мощность струи на выходе из насадки.

В процессе подводной разработки пород напорная струя работает в условиях насыщения воды породой, поэтому уменьшение мощности струи происходит более резко. Разрыхление породы напорной струей может происходить более эффективно при максимальном приближении насадки к поверхности забоя и создании специальных устройств, которые сохраняют компактность струи.

3.1.8 Воронка граничного размыва

Если установить под углом α ко дну и на высоте a от него насадку (см. рис. 3.8), то размывание будет происходить до тех пор,

пока скорость на границе с грунтом не сравняется с размывающей скорость для данного грунта. По этому условию определяются параметры воронки граничного размыва.

1) Максимальная длина размыва

где vр – размывная скорость для данного грунта (табл. 3.4).

39

Таблица 3.4 – Размывная скорость при подводном размыве

3) Граничная длина воронки размыва на уровне дна

где β0 – угол природного уклона грунта при действии струи;

β – угол расширения струи

Рисунок 3.8 – Схема для определения параметров подводного размыва

40