12.2. Разработка грунтов гидромониторами

Сущность способа – разработка грунта струей воды с большим напором и скоростью.

Для формирования компактной струи и направления ее в нужную точку забоя существуют машины, называемые гидромониторами. Гидромониторы различают по следующим признакам:

- по способу управления (с ручным и дистанционным управлением);

- по шасси (самоходные и не самоходные);

- по напору (низкого давления – до 15 кгс/см², среднего давления – до 50 кгс/см² и высокого давления – более 50 кгс/см²).

Общая схема гидромонитора дана на рис.12.1а. Паспортная мощность г/м характеризуется расходом воды и напором. Расходы колеблются в пределах Qг/м = 500-2500 м³/ч Напоры – 12-50 кгс/см². При этом скорости воды, вылетающей из насадка, составляют 10-50 м/с.

Размыв грунта происходит под действием давления со стороны струи, взвешивающего и расклинивающего действия частиц воды и размывающего действия скоростей воды.

Размывающее действие гидромониторной струи и интенсивность размыва зависят от многих факторов, в частности, от скорости вылета струи υ0 , расхода воды Qв , напора Н, диаметра насадка dн , расстояния до забоя lз и др.

. (12.3)

Параметры связаны между собой гидравлическими зависимостями:

, , , (12.4)

где υ0 – скорость вылета струи из насадка; Q0 – расход воды через насадок; Н0 – напор воды у насадка; μ – коэффициент расхода насадка, зависящий от его формы и конструкции (0,85-0,95); υз – скорость струи на забое; dн – диаметр насадка; lз – расстояние до забоя.

Характер струи и ее насыщение воздухом по длине полета можно разбить на 3 участка, или зоны (рис.12.1б): 1й участок – зона плотной струи; 2й участок – зона частичного наполнения воздухом; 3й участок – струя сильно насыщена воздухом.

Рис.12.1

а) схема гидромонитора; б) структура гидромониторной струи

1 – нижнее колено; 2 – верхнее колено; 3 – горизонтальный шарнир; 4 – вертикальный шарнир (шаровой); 5 – ствол; 6 – насадок; 7 – рычаг с противовесом;

| - зона плотной струи; || - зона частичного насыщения струи; ||| - зона сильно насыщенная воздухом.

Для разрушения наиболее эффективен 1й участок. Поэтому для поддержания производительности гидромонитор необходимо своевременно передвигать ближе к забою.

Наиболее эффективные параметры струи при разработке различных грунтов даны в таблице 12.1.:

Таблица 12.1.

Грунты	Оптимальная размывающая скорость υр опт , м/сек	Рабочий напор воды Но , м	Удельный расход воды на 1 м³ грунта q0 , м³
Песок	10-12	30-50	4-9
Песчано-гравелистые	10-12	40-70	9-14
Супесь	12-20	40-70	5-7
Суглинки	18-25	50-90	5-9
Глины	25-35	80-120	9-14

Способы разработки

Применяются два способа разработки: встречным забоем (рис.12.2а); попутным забоем (рис.12.2б).

Рис.12.2. Способы разработки грунта гидромониторами: а) встречным забоем, б) попутным забоем. 1 – гидромонитор, 2 – водовод, 3 – струя гидромонитора, 4 – вруб, 5 – контур обрушенного откоса, 6 – малые пульпосборные канавы, 7 – большая пульпосборная канава, 8 – зумпф, 9 – землесосная установка.

Встречный забой применяется, в основном, для разработки связных и малосвязных грунтов. При этом гидромонитор размещается на дне забоя. Сначала струя направляется в основание откоса, образуя «вруб». После подмыва «вруб» обрушается и струя размывает грунт. Расход воды и напор при этом меньше, чем для разработки «целика». Образовавшаяся пульпа по канавкам самотеком попадает в магистральную канаву, откуда перекачивается насосами на место укладки.

Недостатком этого метода является значительное удаление гидромонитора от откоса и расположение гидромонитора в зоне оттока пульпы.

Параметры забоя.

, , , , (12.5)

где Lmin – минимальное расстояние до забоя; Lmax – максимальное расстояние до забоя; Нз – высота забоя; Нр – рабочее давление струи воды, м; Вз – ширина забоя; α – коэффициент приближения к откосу, зависящий от типа грунта (0,4-1,3); Шз – шаг гидромонитора в забое (длина участка, разрабатываемого с одной стоянки).

Выбор необходимых параметров гидромонитора осуществляется в зависимости от требуемой интенсивности разработки I и свойств грунта.

, , м3/ч, , (12.6)

где I – интенсивность разработки, м³/ч; V – объем разрабатываемого грунта, м³; Т – срок разработки по плану, ч; Qв – общая производительность гидромониторов по воде, м³/ч; Qг/м – производительность одного гидромонитора по воде, м³/ч; Кв – коэффициент внутрисменного использования рабочего времени (0,7-0,9); N – потребное количество гидромониторов; Кнер – коэффициент неравномерности работы, учитывающий условия производства работ в конкретных условиях.

Количество гидромониторов обычно принимается не менее двух.

Общая схема способа дана на рис.12.3.

Рис. 12.3. Технологическая схема производства земляных работ способом гидромеханизации при разработке грунта в карьере гидромониторами

1 – карьер, 2 – гидромонитор, 3 – напорный водовод, 4 – насосная установка, 5 – канава для сбора пульпы, 6 – землесосная установка, 7 – напорный пульпопровод, 8 – место укладки грунта, 9 – распределительные пульповоды, 10 – сбросные колодцы, 11 – ЛЭП, 12 - водосбросные сооружения

Насосы для работы гидромониторов выбирают по общему потребному расходу воды и по напору. Необходимый напор на насосной станции:

,

где Нр – потребный рабочий напор у насадка гидромонитора; Δhг/м – потери напора в гидромониторе; Δhв – потери напора в водоводе; Δhм – местные потери напора; Δhг – разность геодезических высот положения гидромонитора и источника водоснабжения.

Насосные станции и водоводы при мониторных работах являются временными. Для водоводов используются стальные трубы стандартных размеров. Они укладываются по поверхности земли на деревянных подкладках или легких эстакадах.

Попутный забой применяется, в основном, для разработки несвязных грунтов при малой высоте забоя. При разработке этим методом используется только размывающее действие струи, направленной под острым углом к поверхности забоя. При этом практически отсутствует механическое разрушение грунта силой удара струи и гидродинамическим давлением, а также разрыхление грунта в результате обрушения откоса. Все это снижает его эффективность и обуславливает меньшее его распространение.

К положительным качествам этого метода можно отнести возможность более близкого приближения гидромонитора к откосу и работы компактной струей и расположение гидромонитора на сухом месте вне зоны оттока пульпы.

Кроме указанных 2-х основных способов разработки грунтов существуют комбинированные приемы. Основное направление этих приемов – смягчение или исключение недостатков чисто мониторного способа с расположением гидромонитора на дне забоя, а именно:

- обрушение грунта в уступе специальными гидромониторными установками (по методу Карцева) на уровне поверхности разработки;

- обрушение грунта в уступе взрывным способом со сбросом грунта к подошве уступа;

- разработка землеройными механизмами с отвалом с подачей разрыхленного грунта к подошве забоя, где он смывается гидромониторами.