ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ

17.1. Схемы трубопроводного транспорта и области его применения

Перемещение различных материалов и смесей по трубам под действием статического напора, создаваемого столбом смеси в вертикальном ставе трубопровода, или перемещение рабочей средой (воздухом или водой) называют трубопроводным транспортом.

При подземной добыче руд трубопроводный транспорт используют, в основном, для доставки закладочных материалов и смесей в выработанное пространство. Очень ограниченно применяют гидравлическую доставку руды, в основном, в наклонных залежах, где руду смывают напорной струей воды, и пульпа (смесь воды и твердых частиц) стекает по наклонной почве выработки. Поэтому далее рассмотрим трубопроводный транспорт только для транспортирования закладочных материалов и смесей.

В настоящее время закладку применяют при разработке ценных руд цветных, редких и радиоактивных металлов, высококачественных железных руд, некоторых видов горно-химического сырья. Использование закладки позволяет сократить потери и разубоживание руды, заменить рудные целики искусственными, сохранить ненарушенной земную поверхность, производить одновременную разработку месторождения открытым и подземным способами, отрабатывать руды, склонные к самовозгоранию путем изолирования выработанного пространства от доступа воздуха, обеспечить в сложных горно-геологических условиях безопасность работ, а также частично разместить отходы производства под землей. Особую актуальность приобретает закладка при разработке месторождений на больших глубинах, где прочные закладочные массивы предупреждают горные удары при большом горном давлении.

Недостаток закладки — удорожание добычных работ, однако в некоторых случаях ценность дополнительно получаемой руды может перекрыть затраты на закладочные работы.

В зависимости от способа закладки и вида транспорта применяют сухую, гидравлическую и твердеющую закладки. В качестве материалов для появившейся первоначально сухой закладки применяли попутно добываемые или поступающие в шахту пустые породы, песок, гравий. При сухой закладке закладочный материал в выработанное пространство доставляли самотеком под действием силы тяжести, скреперными установками, погрузочно-транспортными машинами, конвейерами, пневматическим трубопроводным транспортом. Позднее сухую закладку стала вытеснять гидравлическая закладка, а в настоящее время широкое распространение получила твердеющая закладка, обеспечивающая высокую прочность и плотность закладочного массива. С использованием твердеющей закладки появилась возможность создания высокопроизводительных систем разработки при выемке ценных, малоустойчивых или самовозгорающихся руд, а также ведения работ на глубинах с большим горным давлением. Например, на горных предприятиях цветной металлургии из всего объема закладочных работ около 85% составляет твердеющая закладка.

В состав твердеющей закладочной смеси входят вяжущие вещества (цемент, молотые шлаки черной и цветной металлургии), инертные заполнители (песок, хвосты обогатительных фабрик, порода из отвалов, гравий, щебень) и вода. Для повышения пластичности и транспортабельности твердеющих закладочных смесей вводят пластифицирующие добавки (например, поликриамид и др.), составляющие десятые и сотые доли процента от массы вяжущего.

Для доставки твердеющих закладочных смесей применяют самотечный (рис. 17.1, а) и самотечно-пневматический (рис. 17.1,б) трубопроводный транспорт.

Трубопровод самотечной установки состоит из вертикальной и горизонтальной частей. Закладочная смесь непрерывным потоком поступает в приемную воронку вертикального трубопровода (см. рис. 17.1, а) и перемещается на определенное расстояние по горизонтальной части за счет статического напора столба смеси в вертикальной части трубопровода. Дальность транспортирования по горизонтали в 3—5 раз больше высоты вертикального столба закладочной смеси, скорость Движения 0,3—0,8 м/с (в зависимости от состава смеси), диаметр трубопровода от 76 до 220 мм.

Рис. 17.1. Схемы трубопроводного транспорта закладочных материалов: а — самотечного; б — самотечно-пневматического; в - пневматического с закладочной машиной; г — самотечного гидравлического по наклонной почве или желобу: д - самотечного гидравлического с вертикальными и горизонтальными трубопроводами- е — напорного гидравлического; ж—то же с питателем; з — гидроэлеватор- 1 — трубопровод- 2 — закладочная машина; 3 — наклонный желоб; 4 — пульпонасос; 5 —питатель; 6 — насос

Преимущества самотечного трубопроводного транспорта — довольно высокая производительность (до 60—180 м³/ч) и простота конструкции, недостаток — ограниченное расстояние транспортирования, зависящее от высоты вертикальной части трубопровода и времени твердения закладочных смесей.

Применение самотечно-пневматического транспорта позволяет значительно увеличить длину доставки закладочных смесей за счет энергии сжатого воздуха, поступающего на горизонтальные части трубопровода через пневмоэжекторы (пневмо-врезки), вмонтированные под углом 25—30° к продольной оси трубопровода в направлении движения закладочной смеси (см. рис. 17.1,6) и соединенные гибкими шлангами с воздушной магистралью. Диаметр пневмоврезок 1,5—2", расстояние между ними 60—100 м. Скорость движения смеси на участке пневмотранспорта достигает 4—10 м/с. Смесь разделяется сжатым воздухом на порции и затем отдельными порциями проталкивается по горизонтальному трубопроводу к месту закладки.

Преимущества самотечно-пневматического транспорта — подача закладочной смеси на большие расстояния при высокой производительности и надежность в работе, недостаток — повышенные энергозатраты (по сравнению с самотечным транспортом) вследствие использования сжатого воздуха. Этот вид транспорта твердеющих закладочных смесей получает все большее распространение.

Рассмотрим схему пневматического трубопроводного транспорта сплошным потоком (рис. 17.1, в). Закладочный материал с помощью закладочной машины вводят в трубопровод, по которому материал во взвешенном состоянии перемещается воздушной средой и выбрасывается в выработанное пространство. Скорость воздушного потока, при которой частицы транспортируемого материала находятся во взвешенном состоянии, называется скоростью витания. Если частицу материала уподобить шару диаметром d (м), то уравнение равновесия шара, помещенного в воздушную среду в трубопроводе, можно записать в следующем виде:

где g_т — плотность материала, кг/м³; l_В— коэффициент сопротивления, зависящий от формы частицы и состояния поверхности; g_В = l,2 — плотность воздуха, кг/м³; u_В — скорость витания (м/с), определяемая по формуле

Скорость транспортирования закладочного материала принимают большей, чем скорость витания.

Такую схему пневматического транспорта (см. рис. 17.1, е) применяют для сухой закладки. Закладочный материал — неабразивная дробленая порода крупностью 5—80 мм, дальность транспортирования 20—80 мм, производительность 30—60 м³/ч, расход сжатого воздуха — около 150 м³ на 1 м³ закладочного материала.

Недостатки пневмотранспорта сухих закладочных материалов: большое пылеобразование; высокий износ труб и закладочных машин; большой расход сжатого воздуха; высокие предъявляемые требования к закладочному материалу в отношении его гранулометрического состава и абразивности и др. Этот вид транспорта неприемлем для доставки твердеющих закладочных смесей в связи с нарушением структуры смеси, а следовательно, и прочности закладываемого массива. Пневматический транспорт закладочных материалов сплошным потоком не получил широкого распространения на рудных шахтах.

Гидравлические транспортные установки разделяются на самотечные и напорные. В самотечных установках транспортирование материала производится струей воды по наклонно установленным желобам и трубам (рис. 17.1, г) или по трубам под действием статического напора, создаваемого пульпой в вертикальной части трубопровода (рис. 17.1, д). В приемную воронку готовую пульпу или закладочный материал подают из бункера на желоб и гидромонитором смывают в приемную воронку вертикального трубопровода. Отношение высоты вертикальной части трубопровода к горизонтальной составляет примерно 1:4 — для кусковых и 1:15 — для мелкозернистых материалов. Крупность частиц материала не должна превышать 50 - 80 мм. Для гидрозакладки применяют хвосты обогатительных фабрик, гранулированные шлаки, пески с примесью глины и дробленые породы. Консистенцию пульпы — отношение твердого и жидкого (Т:Ж), которая зависит от крупности закладочного материала, принимают в соотношении от 1:0,6 до 1:5. Преимущество схемы гидротранспорта (см. рис. 17.1, д)— простота конструкции, недостаток — ограниченное расстояние транспортирования.

В системе напорного гидротранспорта устанавливают пульпонасосы (рис. 17.1, е) или другие механизмы, обеспечивающие засасывание пульпы и транспортирование ее по трубопроводу. При использовании пульпонасосов наиболее эффективно применять мелкозернистые закладочные материалы (например, пески и хвосты обогатительных фабрик), которые довольно легко перемещаются в напорном трубопроводе и обеспечивают высокое качество закладочного массива.

При другой схеме напорного гидротранспорта (рис. 17.1, ж) насыпной груз крупностью до 60 мм загружают в трубопровод специальным загрузочным устройством — питателем, а воду в трубопровод подают насосом.

При разработке россыпных месторождений для транспортирования пульпы к промывочным приборам применяют гидроэлеваторы (рис. 17.1, з). Гидроэлеватор работает следующим образом. По трубопроводу в насадку подают под давлением воду. Благодаря значительной скорости струи воды, выходящей из насадки, в камере гидроэлеватора создается вакуум, пульпа через патрубок засасывается в камеру и под напором струи воды попадает в трубопровод. Высота подъема пульпы гидроэлеваторами может достигать 10 - 15 м, длина транспортирования по горизонтали — до 100 м, производительность 30 - 75 м³/ч. Недостатки гидроэлеваторов — низкий КПД (около 20 %), ограничение по крупности транспортируемой горной массы.

Скорость витания в гидротранспортных установках называется критической скоростью, при которой частицы транспортируемого материала находятся в потоке воды во взвешенном состоянии, а отдельные крупные частицы перемещаются скачкообразно. Сила тяжести частицы, эквивалентной шару диаметром d (м), во взвешенном состоянии (в восходящем потоке воды) уравновешивается выталкивающей силой (по закону Архимеда) и сопротивлением перемещению:

где g₀ — плотность воды, кг/м³; l— коэффициент сопротивления при свободном падении частицы в воде.

Критическая скорость (м/с)

Расчетную скорость пульпы принимают больше критической — u = (1,1¸1,2) u_кр. Практически она составляет 2,5 — 3,5 м/с.

Преимущества напорного гидротранспорта — высокая производительность и подача закладочного материала на большие расстояния, недостатки — повышенный износ трубопровода, невысокая прочность закладочного массива, большое содержание воды в закладочном материале и увеличение затрат на обезвоживание, дренаж и перекачку воды.

Гидротранспорт не применяют для доставки твердеющих закладочных смесей, так как большое количество воды нарушает структуру смеси, разжижается и выносится цементная пульпа, что приводит к снижению прочности закладочного массива.