Способ самотечной трубопроводной доставки твердеющей смеси в подземные горные выработки
METHOD FOR GRAVITATION PIPELINE DELIVERY OF HARDENING MIXTURE TO UNDERGROUND MINES

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для самотечного трубопроводного транспорта литых твердеющих смесей при закладке в горные выработки в условиях подземной разработки месторождений полезных ископаемых.
Известный способ самотечного транспорта литой твердеющей смеси под действием только гидростатического давления ее столба в вертикальной скважине прост в реализации и получил широкое распространение («Закладочные работы в шахтах»: Справочник под ред. Д.М. Бронникова, М.Н. Цигалова. - М: Недра, 1989. - С. 273-282).
Ограничивает его применение недостаточный радиус доставки и невозможность применения для транспортирования закладочных смесей по трубопроводам большой протяженности до очистных выработок на флангах рудных залежей в связи с расширением фронта ведения горных работ, несмотря на наличие вертикальных скважин большой высоты.
При скорости смеси с большой вязкостью в пределах 0,5 м/с, не исключается риск заиливания и возникновение аварийных ситуаций, связанных с зарастанием горизонтальных трубопроводов. Для повышения транспортабельности нередко в смеси добавляют воды больше, чем нужно для гидратации вяжущего, что отрицательно сказывается на прочности массива.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ трубопроводной доставки твердеющей смеси в подземные горные выработки, включающий загрузку смеси в пункте ее приготовления на поверхности, транспортирование смеси по трубопроводной магистрали, содержащей вертикальный и горизонтальный участки, восстановление реологических характеристик смеси в процессе транспортирования механическими устройствами в виде бесприводных гидродинамических генераторов или гидродинамических активаторов напорного действия, и выгрузку смеси у мест закладки горных выработок (Разработка комплексов приготовления и транспорта твердеющих смесей для закладки горных выработок: монография / А.Н. Анушенков; ГОУ ВПО «Гос. ун-т цвет. Металлов и золота». - Красноярск, 2006. С. 88-100).
Недостаток способа, принятого за прототип, заключается в том, что механические устройства устанавливаются на конечном участке горизонтального трубопровода, где скорость смеси падает до критического значения и создаваемый ими импульс увеличения напора и скорости носит кратковременный и локальный характер. Состав смеси не изменяется и динамическая вязкость ее не превышает уровень исходных показателей.
Техническая задача заключается в изменении состава смеси, обладающего пониженной динамической вязкостью в начале горизонтального участка и сохраняющейся на всем протяжении самотечной доставки смеси до удаленных очистных выработок на флангах рудных залежей и обеспечивающей равномерность ее укладки в горные выработки без избыточного увлажнения.
Техническая задача решается за счет того, что в способе самотечной трубопроводной доставки твердеющей смеси в подземные горные выработки, включающем загрузку смеси в пункте ее приготовления на поверхности, транспортирование смеси по трубопроводной магистрали, содержащей вертикальный и горизонтальный участки, воздействие на реологические характеристики смеси механическими устройствами в процессе транспортирования и выгрузку смеси у мест закладки горных выработок, согласно технического решения, в процессе транспортирования, с помощью установленного в начале горизонтального участка струйного насоса-смесителя, вовлекающего в поток исходной смеси воздух, что создает условие для образования кавитации с выделением и схлопыванием пузырьков растворенного в смеси воздуха и пара с понижением и повышением давления в высокоскоростном ее потоке и турбулентно смешивания вовлеченного воздуха с активным потоком исходной смеси.
Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены соответственно вариант технологической схемы предлагаемого способа самотечного транспортирования аэрированных смесей в горные выработки.
Трубопроводная магистраль содержит вертикальный 1 и горизонтальный 2 участки. В горизонтальном участке 2 установлен струйный насос-смеситель 3 (Фиг. 1, 2), содержащий сопло 4, приемную камеру 5 с патрубком ввода воздуха 8, камеру смешения 6 с диффузором 7.
Предлагаемый способ реализуют с помощью предлагаемого струйного насоса - смесителя следующим образом:
Приготовленную смесь загружают в вертикальный участок 1 (Фиг. 1). Под действием гидростатического давления смеси высотой «Н» она поступает в струйный насос-смеситель 3 через сопло 4 (фиг. 2). Выходящая из сопла высокоскоростная струя смеси увлекает за собой из приемной камеры 5 воздух, подводимый в нее по патрубку 8. При этом давление на срезе сопла падает ниже давления насыщенных паров воды, что обеспечивает приток в камеру 5 воздуха, выделение из воды мельчайших пузырьков растворенного воздуха и пара. Благодаря кавитации в камере смешения 6 происходит обмен количеством движения между компонентами смеси, дробление, измельчение и турбулентное их смешивание с дополнительно вовлеченным в камеру 5 воздухом. Новый состав смеси, пройдя диффузор 7 и повысив в нем уровень потенциальной энергии за счет кинетической, транспортируется к месту выгрузки в горные выработки.
Вязкость воздуха примерно в 80, а плотность в 800 раз меньше соответственно вязкости и плотности воды. Поэтому, согласно расчетам, плотность смеси нового состава с добавкой, например, вовлеченного воздуха в количестве 10% от массы транспортируемой смеси, после обработки в насосе - смесителе уменьшает ее плотность на два порядка (в 100 раз), а вязкость в десять раз.
Верхний предел процентного содержания воздуха выбран, исходя из соображений разумной достаточности, - с одной стороны он обеспечивает значимое снижение динамической вязкости исходной смеси, а с другой -эффективное функционирование насоса - смесителя при возрастании относительного напора с минимальным коэффициентом эжекции.
Таким образом, в результате добавки в состав смеси воздуха, вовлеченного в процессы кавитации и турбулентного смешивания с помощью струйного насоса-смесителя, установленного в начале горизонтального участка, образуется качественно новый, гомогенный и стойкий к расслоению состав смеси, отличающийся от смеси исходного состава существенно более низкой динамической вязкостью на всем протяжении горизонтального участка трубопровода.
Так как предельная длина самотечного транспортирования по горизонтали находится в обратной зависимости от потерь напора в трубопроводе, которые в свою очередь напрямую зависят от вязкости смеси, предложенный способ самотечной трубопроводной доставки твердеющей смеси с оптимальным содержанием воды в подземные горные выработки с обработкой в струйном насосе-смесителе в режиме кавитации, вовлечением в поток смеси и турбулентным смешиванием дополнительного воздуха позволяет:
- получать гомогенизированные, аэрированные твердеющие смеси с пониженной вязкостью и повышенной стойкостью к расслоению, увеличить предельную длину самотечного транспортирования за счет значительного снижения динамической вязкости смеси на всем протяжении горизонтального трубопровода и обеспечить равномерность укладки в удаленные горные выработки без избыточного их увлажнения;
- повысить темп ведения закладочных работ за счет предотвращения заиливания трубопроводов и сокращения времени технологических перерывов на промывку и продувку заиленных участков, сократить расход воды на эти операции;
- сократить расход сжатого воздуха для удлинения плеча самотечной доставки твердеющих смесей к удаленным горным выработкам.