Гидромеханизированная разработка россыпных месторождений

Исходными данными для составления проекта являются:
основные параметры россыпи:
средняя ширина россыпи — В = 80 м;
общая длина россыпи — L = 4800 м;
средняя мощность россыпи — Нр = 3 м, в том числе песков — hп = 1,5 м и торфов — hт = 1,5 м, уклон плотика — iпл = 0,028 %);
характеристика горных пород:
категория пород пласта песков и торфов - II;
пористость пород россыпи — m= 19 %;
объемная масса пород — т= 2,4 т/м3;
гранулометрический состав горных пород в %%:
содержание тонкодисперсных частиц размером -0,2мм - n1= 25%;
содержание грубодисперсных частиц размером -2 + 0,2мм - n2 = 60 %;
содержание крупнозернистых частиц размером >2мм - n3 = 15%;
коэффициент трения крупнозернистых частиц о стенки трубопровода — f = 0,475;
продолжительность разработки россыпи — N = 7 лет;
продолжительность сезона — n = 210 суток;
длина водовода — Lв = 850 м;
длина пульповода — Ln = 950 м;
геодезическая высота подачи воды — hв = 12 м;
геодезическая высота подъема пульпы — Нг = 13 м.

I. ПОДСЧЕТ ЗАПАСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУТОЧНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ
ПО ПЕСКАМ И ТОРФАМ
Подсчет запасов производится по упрощенной методике на основе исходных данных, выданных руководителем проекта.
Общий объем горных пород россыпи подсчитывается по уравнению:
Wоб = BxLxHp = 80*4800*3 = 1152 000 м3( 1 )
После этого определяются геологические запасу! песков:
Wn = BxLxhn = 80*4800*1,5 = 576 000 м3( 2 )
и торфов: WT = BxLxhT =80*4800*1,5 = 576 000 м3. ( 3 )При большой мощности и значительных объемах торфов может возникнуть необходимость раздельной разработки торфов и песков месторождения, применив предварительную вскрышу торфов. В этом случае над пластом песков необходимо оставлять в качестве предохранительной рубашки слой пустых пород ( торфов ) мощностью 0,2 м. Кроме этого, при выемке песков с целью наиболее полного извлечения металла производится задирка плотика на глубину 0,1 м. С учетом этих двух обстоятельств определяем:
промышленные объемы торфов, подлежащих предварительной вскрыше (не определяются при валовой разработке)
W'n = BxLx( hт — 0,2 ) = 80*4800*(1,5-0,2) = 499 200 м3( 4 )
промышленные запасы песков, подлежащие выемке
W'п =BxLx(hп +0,2+ 0,1 ) = 80*4800*(1,5+0,2+0,1) = 691 200 м3.( 5 )Годовая производительность предприятия составит
по пескам Аг.п. = W'п / N = 499200 / 7 = 71314 м3 / год( 6 )
по торфамАг.т. = W'т / N = 691200 / 7 = 98743 м3 / год( 7 )
Суточная производительность предприятия зависит от продолжительности гидравлического сезона ( п ) и составляет:
по пескам Ас.п. = Аг.п. / n = 71314 / 210 = 340 м3 / сут( 6 )
по торфамАс.т. = Аг.т. / n = 98743 / 210 = 470 м3 / год( 7 )II. ВЫБОР СПОСОБА ВСКРЫШИ ТОРФОВ И ВСКРЫШНОГО ОБОРУДОВАНИЯПри разработке россыпного месторождения со значительной мощностью вскрышных пород для уменьшения разубоживания песков и более рационального использования забойного горнодобычного оборудования применяется предварительная вскрыша торфов. В зависимости от размеров россыпи, мощности и объемов торфов и других горногеологических условий вскрыша торфов на гидравлическом разрезе может производится с помощью гидравлического оборудования (гидроразмыв торфов и гидротранспорт ), бульдозеров, скреперов или экскаваторов.
По сложности экскавации породы вскрыши относятся ко II категории по трудности экскавации. Для экскавации пород вскрыши предусматривается использование экскаваторов ЭО-4121 с емкостью ковша 1,5 м3, либо других с аналогичными производственно-техническими характеристиками. Технологическая схема ведения работ экскаватором ЭО-4121 приведена на рисунке 1.
Породы вскрыши складируются на внешнем отвале.

Таблица 1 - Расчет производительности экскаватора ЭО-4121 на вскрышных работах
Наименование показателей Един. изм. 2020-2021
Часовая производительность Qчас=3600ЕКэ /Тцм3/час 172,8
Qчас=3600ЕКэ /Тц q т/час 259,2
Где: Е-емкость ковша м3 1,5
Ки –коэффициент использования ковша 0.8
Тц-оперативное время на цикл экскавации сек 25
q-объемный вес горной массы т/ м3 1,5
Сменная производительность Qсм=(Тсм-Тпз-(Тлн+Tтп) К1)
VпаКнадКнегКм/(Тпа+Туа) м3см 951,9
Где: Тсм – продолжительность смены мин 660
Тпз – время на подг./закл. операции мин 40
Тлн – время на личные потребности мин 10
Ттп – время на технологические перерывы из-за ожидания очистки автоподъездов бульдозером мин 10
К1 – коэф. перевода из 8-ми часовой в 12 часовую смену 1.5
Объем кузова в целике Vпа=V/Кразм3 6,02
V – геометрический объем кузова м3 8
Краз – коэф. разрыхления пород 1.33
К над – коэф. надежности экскаватора 0.9
К пов – коэф. учитывающий работу с углом поворота более 140 град. 0.97
Км – коэф. учитывающий работу во вложных и смерзшихся грунтах 0.9
Тпа – время погрузки автосамосвала Тпа=ТцNк/60 мин 2,22
Где: количество ковшей погружаемых в автосамосвалы Nк = Vпа/Vк шт. 5,33
Vк – объем ковша в плотном теле м3 1,33
Туа – время установки самосвала под погрузку мин 0.5
Суточная производительность Qсут = Qсмn м3 952
Где: n – число смен в сутки шт. 1
Годовая производительность Годовая производительность экскаватора Qгод=QсутТгодКкл тыс. м3/год 159174
Где: годовое время работы экскаватора
Тгод=Тк-Трем-Ткл-Тперсут176
Тк – календарное время работы карьера сут210
Трем – время простоя на ремонтах сут15
Ткл – время простоя по метеоусловиям сут7
Тпер – время на технологические перегоны сут12
Ккл – коэф. учитывающий климат 0.95
Расчетный парк экскаваторов Nр = Qк/Qсм шт. 0,43
Где: Qк – сменная производительность карьера м3/см 409
Принимаемое количество экскаваторов шт. 1
Инвентарный парк экскаваторов
Nи= Nр/Ки.п. шт. 2
Где: Ки.п. – коэф. использования экскаватора 0.7

Рисунок 1. Технология экскавации для вскрышных уступов

III. ВСКРЫТИЕ РОССЫПИ
На гидравлических разработках применяются следующие основные способы вскрытия россыпей:
выносной канавой ( штольней ),
котлованом,
канавой и котлованом,
бортовое вскрытие,
независимое вскрытие нескольких горизонтов.
Выработки вскрытия ( канавы, котлованы ) служат для создания доступа к пласту песков, размещения гидравлического оборудования на эксплуатационном горизонте и транспортировки размытых песков к промывной установке ( или обогатительной фабрике).
При выборе способа вскрытия учитывают условия залегания россыпи, определяющие возможность перемещения размытых песков к промывной установке самотеком или по напорному трубопроводу, размещения хвостов промывки за контуром россыпи или в выработанном пространстве, трудоемкость переноса промывных установок и стоимость промывки.
Гидравлическая разработка россыпей отличается высокой стоимостью промывки. Поэтому при значительной мощности торфов целесообразно применять независимое вскрытие горизонтов, при котором обеспечивается раздельная отработка торфов и пласта песков, т.е.достигается минимальное разубоживание песков и уменьшение затрат на обогащение и в целом на разработку россыпи.
Увальные и террасовые россыпи ( при наличии достаточного места в пойме долины для размещения хвостов промывки в отвалы самотеком ) целесообразно вскрывать выносной канавой.
Вскрытие россыпей, условия залегания которых не позволяют применить выносную канаву для создания доступа к эксплуатационному горизонту и самотечного транспорта песков на промывную установку с размещением хвостов обогащения в долине месторождения, осуществляется обычно с помощью котлована. При этом способе вскрытия россыпей для транспорта песков на промывную установку применяют землесосы или гидроэлеваторы, а длина напорного гидротранспорта и высота подъема песков для промывки определяется местом расположения промывной установки и необходимым объемом гидроотвала.
Вскрытие полезной толщи месторождения с поверхности осуществляется внутренней траншеей, в процессе развития горных работ вскрытие новых участков предусматривается с рабочей поверхности по мере необходимости временными наклонными траншеями.

Рисунок 2. Принципиальная схема выработок
IV. ВЫБОР СИСТЕМЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ
В зависимости от характеристики горных пород, строения россыпи и мощности рыхлых отложений принимается способ размыва пород в забое. В практике гидравлической разработки россыпей наибольшее распространение получили следующие способы размыва пород в забое:
размыв пород гидромониторной струей в массиве с установкой гидромонитора на плотике россыпи ( или на подошве уступа ),
размыв пород с поверхности уступа,
размыв пород гидромониторной струей с предварительным рыхлением.
Рыхление пород осуществляется бульдозерами, экскаваторами или буровзрывным способом.
Исходя из категории разрабатываемых пород по табл.2 принимается напор воды перед насадкой гидромонитора Н, м.вод.ст..
Системы гидравлической разработки храктеризует порядок перемещения забоев и очистных выработок в блоке относительно траектории полета гидромониторной струи и направления выгонки размытых песков из забоя.
По этому признаку все системы гидравлической разработки делятся на системы с попутным, встречным, боковым, веерным и комбинированным забоями.
Для конкретных условий россыпи в курсовом проекте принимается система гидравлической разработки, устанавливается порядок отработки месторождения и определяются размеры очистного блока.
В зависимости от высоты уступа, расстояния перестановки гидромонитора и предельной дальности полета размывающей струи определяется ширина заходки, приходящаяся на один гидромонитор:
b=2lо2-(lу+lт)2 ,м,(10)
где 1о —максимально допустимая длина струи при подрезке уступа ( при размыве горных пород в целике), м,
1у —минимально допустимое расстояние установки гидромонитора от кромки уступа, м,
1т—расстояние перестановки гидромонитора в забое, м, lт = 4-8 м.
Максимально допустимая длина струи зависит от напора воды перед насадкой и степени использования струи при подрезке горных пород забоя и определяется по формуле:
1о = х Н, м,(11)
где Н —напор воды перед насадкой гидромонитора, м,
— коэффициент использования струи при подрезке забоя, =0,25.
1о = 0,25*70 = 17,5 м(11)
Минимально допустимое расстояние между гидромонитором и забоем определяется по формуле:
1у = х Ну , м,(12)
где Ну — высота уступа, м,
— коэффициент безопасного расположения гидромонитора в забое.
Величина этого коэффициента зависит от характера обрушения горных пород в забое после их подрезки гидромониторной струей и для расчетов может быть принятой для песчано-галечных пород равной 0,8, а для глинистых пород - 1,2. Высота уступа гидромониторного забоя Ну принимается с учетом мощности пласта песков hп , мощности рубашки торфов и глубины задирки плотика.
1у = 0,8*(2,5+0,2+0,1) = 2,24 м,(12)
b=217,52-(2,24+6)2=31 м,(10)
Общие параметры очистного блока принимаются в зависимости от ширины заходки после определения необходимого количества рабочих гидромониторов.
IV. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ГИДРОМОНИТОРОВ
Количество рабочих гидромониторов в забое может быть определено исходя из расчетной величины необходимого расхода воды, подаваемой в гидравлический разрез, и гидравлической характеристики выбранного типа гидромонитора.
При гидравлической разработке россыпей напорная вода, вылетающая из насадки гидромонитора, используется для выполнения следующих операций производственного процесса:
гидравлического размыва горных пород в забое,
выгонки размытых пород из забоя к приямику транспортирующего устройства ( землесоса или гидроэлеватора ) или непосредственно к обогатительной установке,
зачистки плотика.
Таким образом, общий удельный расход напорной воды при гидравлической разработке россыпей представляет собой сумму трех составляющих:
q = q1 + q2 + q3 ,м3/м3 ,( 13 )
где q1 —удельный расход воды на гидравлическую отбойку и размыв пород в забое, м3 / м3,
q2 —удельный расход воды на выгонку размытых пород из забоя, м3 / м3.
q3 —удельный расход воды на зачистку плотика росыпи, м3 / м3.
Удельный расход воды на отбойку и размыв породы определяется по уравнению:
q1=Mpmn, м3/м3,( 14)
где М —коэффициент сопротивляемости пород гидравлическому разрушению ( принимается по табл. 2),
pm — осевое динамическое давление струи в контакте с породой, кг/см2,
n —показатель эффективности использования кинетической энергии струи при разрушении и размыве пород (принимается в зависимости от выбранных технологических особенностей процесса гидравлического разрушения, способа размыва и систем гидравлической разработки по табл. 3).
Осевое динамическое давление струи в контакте с разрушаемым и породами зависит от давления воды перед насадкой гидромонитора, длины начального участка струи и расстояния от насадки до забоя. Для определения этой величины необходимо использовать уравнение (19). Однако предварительно нужно сделать следующие расчеты.
Давление воды перед насадкой зависит от выбранной величины напора воды:
ро = о Н* 10-4, кг/см2,(15)
где о — плотность воды, кг / м3.
ро = 1000*70*10-4 = 7 кг/см2,(15)
Длина начального участка струи зависит от исходных параметров струи ( скорости вылета струи и диаметра насадки ) и от типа гидромонитора.
Скорость вылета струи из насадки гидромонитора определяется по уравнению Торичелли:
V=2gH, м/c,(16)
где — - коэффициент скорости, равный 0,96 — 0,98.
V=0,972*9,81*70=36 м/c,(16)
Тип выбираемого гидромонитора должен быть увязан с часовой производительностью гидравлического разреза по пескам. Для решения этого вопроса и выбора диаметра насадки в первом приближении можно руководствоваться данными, приведенными в табл.4.
Принимаю гидромонитор ГМН-250С с диаметром насадки dн = 90 мм.
С учетом выбранного диаметра насадки и вычисленной скорости струи определяется число Рейнольдса ( Re ) для начального сечения гидромониторной струи:
Re = V*dH / ,(17)
где V — скорость вылета струи из насадки, см / с,
dH — диаметр насадки, см,
— кинематический коэффициент вязкости воды ( при t = 18— 22°С),  = 0,01 см2/c ),
Re = 360*9 / 0,01 = 324 000(17)
С учетом данных табл. 4 определяется длина начального участка струи:
1Н = dH (А — В * Re ), м(18)
где dH — диаметр насадки, м ,А, В — эмпирические коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей выбранного гидромонитора (табл.4).
1Н = 0,09*(80 — 12*10-6 * 324000) =6,85 м(18)
После этого определяется величина осевого динамического давления струи:
pm=polнlср2, кг / см2,(19)
где ро - давление воды перед насадкой, кг/см2;
1ср - расстояние от насадки до забоя, м, 1ср = 0,5 (1у + 1о ) = 9,87 м;
1Н - длина начального участка струи, м.
pm=7*6,859,872=3,4 кг / см2,(19)
Таким образом, используя данные табл. 2, табл. 3 и результаты ранее выполненных расчетов, можно определить величину удельного расхода воды на гидроотбойку и размыв горных пород в забое.
Для этого используется уравнение ( 14 ).
q1=203,40,8=7,5 м3/м3,( 14)
Удельный расход воды на выгонку размытых пород из забоя зависит от уклона плотика россыпи, системы разработки и способа выгонки. Влияние этих факторов учитывается коэффициентом трудоемкости перемещения размытых пород, который рассчитывается по формуле:
в = у*с*вг,(20)
где у — коэффициент уклона плотика ( принимается по табл. 5)
с — коэффициент системы разработки равен: при системе разработки с попутным забоем — 1,0, с встречным забоем — 1,9, с боковым забоем — 1,3 и с веерным забоем — 1,15,
вг — коэффициент способа выгонки, равный 1,0, если применяется выгонка гидромониторной струей, и 0,2 — 0,4, если дополнительно используется бульдозер.
в = 0,73*1,15*1 = 0,84.(20)
Величина удельного расхода воды на выгонку размытой породы в определенной степени зависит от напора воды и характеристики горных пород. Для ее определения рекомендуется следующее уравнение:
q2=PвHm*vв, м3 / м3,(21)
где Рв — коэффициент работы, совершаемой струей при выгонке пород из забоя ( принимается по табл. 2);
Таблица 2
Категория пород Характеристика горных пород Рекомендуемые напоры воды, Н, м Коэффициент сопротивляемости пород размыву, М Коэффициент работы по выгонке пород, Рв0 Песчаные породы, без глины 30 — 60 10—15 1 — 1,2
I Песчано- глинистые породы, мелкая галька до 1% 35—80 10—15 2—2,5
11 Песчано- глинистые породы, мелкая галька до 5- 15%, крупная галька 1-2% 40—100 15—25 3—6,5
III Песчано- глинистые, глинистые породы, мелкая галька 15-20%, крупная галька 3-5% 50—120 25—30 7—14
IV Глинистые породы, галька мелкая до 25% галька крупная до 7% 60—140 30—35 18—23
V Высокоглинистые породы, галька - 30%, валуны до 10% 80—170 35—40 28 —35
m — степенной показатель, равный 0,25 — 0,33,
vB — коэффициент трудоемкости перемещения пород, учитывающий влияние уклона плотика, системы разработки и способа выгонки.
q2=4,8700,29*0,84=1,2 м3 / м3,(21)
Трудоемкость процесса зачистки плотика зависит от технологии гидравлической разработки, способа зачистки и уклона плотика россыпи. Влияние этих факторов на соответствующий удельный расход воды учитывается с помощью коэффициента трудоемкости зачистки плотика:
п = у*с*з,(22)
где п — коэффициент трудоемкости зачистки плотика,
з — коэффициент способа зачистки плотика, который при зачистке плотика напорной струей воды принимается равным з = 1,0, а при зачистке плотика струей совместно с бульдозером з = 0,2 —0,6.
п = 0,73*1,15*1,0 = 0,84(22)

Таблица 3
Способ разрушения (размыва) пород в забое Расположение гидромонитора в забое Система гидравлической разработки Показатель
n
Гидравлическое разрушение пород в целике На верхней площадке уступа С попутным забоем 0,5
На нижней площадке уступа С встречным забоем 0,6 — 0,7
С веерным забоем 0,7 —0,8
С попутным забоем 0,8 —0,9
Гидравлический размыв предварительно разрыхленных пород На нижней площадке уступа С встречным забоем 0,8 —0,9
С веерным забоем 0,9—1,0
Таким образом, удельный расход напорной воды на зачистку плотика будет равен:
q3=P3*vп*mу3Н, м3 / м3,(23)
где Рз — коэффициент работы, выполняемой с помощью напорной струи воды при зачистке плотика ( см. табл. 6),
Н — напор воды в м,
mу — удельная мощность пород россыпи, вынимаемая при зачистке плотика,
mу=(z+0,2)Нр, м3 / м3,(24)
где z — глубина зачистки плотика, м,
Нр = мощность пород россыпи, м.
mу=(0,1+0,2)3=0,1 ,(24)
q3=90*0,84*0,1370=1,8 м3 / м3,(23)
После этого по формуле (13) определяется общий удельный расход напорной воды на разработку месторождения.
q = 7,5 + 1,2 + 1,8= 10,5 м3/м3 ,( 13 )
Таблица 4
Суточная производительность по пескам, м3 Тип гидромонитора Рекомендуемый диаметр насадки, dH, мм Гидравлическая характеристика, к Коэффициенты
А В
2000-4000 ГМН—250С 70, 90 14,2 80 12*10-6
ГМДУЭГ-250 80, 100 19,6 126 21*10-6
5000-8000 ГМД—350 100, 125 12 43 17*10-6
КУГУ—350 100, 125 12 139 17*10-6
Таблица 5
Уклон плотика, iпл0,005 0,01 0,02 0,03 0,04
Коэффициент уклона, у 1,35 1,0 0,85 0,7 0,58

Зная суточную производительность предприятия по пескам и суммарный удельный расход воды, определяем необходимый расход напорной воды:
Qв=q*Ас.п.24*3600*ηи ,м3/с,(25)
где ηи — коэффициент использования рабочего времени, равный 0,6—0,8.
Qв=10,5*88024*3600*0,7=0,15 м3/с,(25)
Расчетное значение расхода воды должно обеспечить выполнение проектной производительности гидравлического разреза по пескам при работе одного, двух или нескольких забойных гидромониторов.
Диаметр выходного отверстия насадки гидромонитора, который способен пропустить рассчитанный расход напорной воды определяется по формуле:
dо=4QвV*π=4*0,1536*3,14=0,07 м,(26)
Т.к. расчетный диаметр насадки согласуется со стандартными размерами типовых гидромониторов ( табл. 4), то в этом случае принимаем один рабочий гидромонитор с диаметром насадки dн=70 мм.
Таблица 6
Группа пород плотика Характеристика пород плотика россыпи Коэффициент работы по зачистке плотика, Р3 Средний удельный расход воды на зачистку, q3, м3/ м3
I Сильно разрушенные породы, дресва 60 0,3 —0,5
II Разрушенные породы, крупный щебень 90 0,7—1,0
III Легко разборный, разрушенный ребристый плотик 150 1,5—2,2
IV Ребристый плотик, средней разрушенности, разборный 250 3,0 -4,5
V Трудно разборный плотик 500 6—9
После выбора типа гидромонитора и стандартной насадки рассчитывается количество одновременно работающих гидромониторов по формуле:
dо=dо2dн2=0,0720,072=1(27)
Таким образом, ширина очистного блока гидравлического разреза равняется:
В=n*b = 1*31 = 31 м(28)
VI. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В соответствии с конкретными условиями залегания россыпи и топографическими особенностями местности выбирается схема водоснабжения гидравлического разреза. В практике гидравлической разработки россыпей наиболее распространенной является оборотная схема водоснабжения гидравлического разреза с помощью насосной установки, располагаемой на борту водоотстойника гидроотвала хвостов обогащения. Потери воды на фильтрацию и испарение при этой схеме должны восполняться подпиточной насосной станцией, использующей воду природных водоисточников.
Для расчета системы водоснабжения гидравлического разреза посредством насосной установки с учетом исходных данных и рассчитанных параметров очистного блока вычерчивается схема расположения трубопроводов. При этом учитывается количество рабочих гидромониторов в очистном забое. Если предыдущими расчетами установлено, что для обеспечения пректной производительности разреза необходимо иметь в забое два или более гидромониторов, то система водоснабжения должна включать в себя магистральный ( основной ) и разводящие участки водовода.
Сначала рассчитывается диаметры магистрального и разводящих водоводов.
Для этого необходимо задаться скоростью движения воды в трубах, которая обычно принимается в пределах 1,5 — 2м/ сек. Тогда диаметр магистрального водовода равен
м(29)
где VT — скорость движения воды по трубам, м/с.
DМ=4*0,152*3,14=0,31 м.(29)
Диаметр разводящих забойных водоводов рассчитывается по формуле:
м(30)
где n — количество рабочих гидромониторов ( формула 27).
DЗ=4*0,152*3,14*1=0,31 м(30)
По каталогу или Приложению 1 выбираются трубы диаметром, близким к расчетному, и определяются фактические скорости воды в магистральном ( VM ) и разводящих ( V3) водоводах:
и(31)
VМ=4*0,153,14*0,312=2 м/с;иV3=4*0,13,14*0,312*1=2 м/с.(31)
Необходимый напор воды, развиваемый насосом, определяется по формуле:
Нн = Н + hвс + hв + hп , м,( 32 )
где hвc — высота всасывания воды насосом, обычно принимается в пределах 3-5 м;
hB — геодезическая разность отметок установки насоса и гидромониторов в разрезе, м.
E hn — сумма потерь напора в системе водоснабжения, м.
hп = i'o*l1+ i"o*l2 + hм + hг, м,(33)
где i'o и i"o — удельные гидравлические потери напора соответственно в магистральном и разводящем водоводах, м;
l1 и l2 — длина соответственно магистрального и разводящих водоводов, м;
hM — местные потери напора в системе водоснабжения, обычно принимаются в размере 10% от линейных потерь в магистральном и разводящем водоводах, м;
hг —потери напора в гидромониторе, м.
Удельные потери напора i'o и i"o в водоводе рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха:
(34)
где Vi - скорость воды в магистральном ( VM) или разводящем ( V3) водоводах, м/с;
Dj — диаметр магистрального ( DM ) или ( D3 ) разводящего водовода, м;
— коэффициент гидравлических сопротивлений (выбирается по табл.7).
Таблица 7
Диаметр трубопровода, мм 150 200 250 300 350 400 450 500
Коэффициент 0,0185 0,018 0,0175 0,0165 0,016 0,0155 0,015 0,0145
iо'=0,0175*220,31*2*9,81=0,011;iо''=0,0175*220,31*2*9,81=0,011.(34)
Потери напора в гидромониторе определяются по формуле:
hг = k * Q2г , м,(35)
где k — гидравлическая характеристика гидромонитора (табл.4);
Qг — расход воды через насадку гидромонитора, м3/с, Qг = QB/n = 0,15/1= 0,15 м3/с.
hг = 14,2*0,152 = 0,32 м,(35)
hп = 0,011*850+ 0,011*950 + 0,0011 + 0,32 = 20,1 м,(33)
После вычисления удельных потерь напора в магистральном и разводящем водоводах, потерь напора в гидромониторе и общих суммарных потерь напора в системе водоснабжения по формуле (32) рассчитывается необходимый напор воды у насоса Нн.
Нн = 70 + 4 + 12 + 20 м = 106 м.( 32 )
Расчетные величины напора Нн и необходимого расхода воды QB являются основой для выбора по каталогу или по Приложению 2 типа и количества рабочих насосов системы водоснабжения. Если один насос не обеспечивает достаточный для разработки песков напор, то выбираются 2 насоса, при последовательном соединении которых достигается необходимый напор насосной станции.
В качестве рабочих насосов системы водоснабжения принимаю 1 насос Д1250-125.
Далее графическим способом определяются действительные производительность насосной станции и развиваемый ею напор. Для этого строится совмещенная характеристика насосной станции ( насоса ) и сети (трубопроводов, гидромониторов, топографических особенностей месторождения ). Расходная характеристика насоса берется из каталогов и чертится в масштабе. При использовании двух последовательно установленных насосов кривая расходной характеристики двух последовательно соединенных насосов удваивается.
На этом же графике должна быть построена гидравлическая характеристика водопроводной сети. Для этого необходимо формулу (32) представить в следующем виде:
Нн = Нв + hп , м,(36)
где Нв = Н + hвc+ hв — сумма трех слагаемых напора воды насоса, которые не зависят от величины расхода воды в трубопроводе.
Нв = 70 + 4 + 12 = 86 м.
Суммарная величина потерь напора в системе водоснабжения hп, выраженная формулой (33), пропорциональна квадрату скорости потока воды, а при выбранных диаметрах водовода и насадки гидромонитора может быть представлена в виде квадратичной зависимости hп = f(Q2).
(37)
где z - коэффициент сети, зависящий от длины трубопроводов, коэффициента гидравлических сопротивлений, диаметров труб и характеристики гидромонитора.
hп=1,116*0,0175*8502*9,81*3,142*0,2550,12+16*0,0175*9502*9,81*3,1420,255*120,152+14,2120,152=30 м.(37)
Нн = 86 + 30 =116 м,(36)
Таким образом, для построения гидравлической характеристики водоводной сети (кривая 2 на рисунке) необходимо рассчитать несколько значений этой характеристики при разных значениях расхода воды с помощью уравнений (36) и 37). При этом величина Нв - первая составляющая формулы (36) откладывается по оси ординат, т.к. она не зависит от величины расхода воды.
После построения кривой 2 ( гидралическая характеристика водоводной системы ) устанавливается точка пересечения ее с расходной характеристикой насоса. Эта точка (А) называется рабочей, т.к. определяет действительное значение водопроизводительности насоса развиваемый им напор воды.

Рисунок 3. Характеристика совместной работы насоса и водоводной сети
Определяется мощность двигателя насоса, соответствующая режим водоснабжения при рассчитанных рабочих параметрах:
(38)
где - к.п.д. насоса (определяется по рабочей характеристике).
(38)
При водоснабжении гидравлических разработок с целью охраны окружающей среды и предотвращения загрязнения природных водных бассейнов применяют замкнутую схему водоснабжения, при которой технологическая вода после осветления в пруде-отстойнике снова направляется в гидравлический разрез для разработки и транспорта песков. При этом происходят потери воды на фильтрацию и испарения. Для восполнения этих потерь предусматривается подача подпиточной воды в пруд-отстойник из соседнего источника водоснабжения. Количество подпиточной воды принимают в размере 10 — 15% от общего расход напорной воды. Поэтому производительность насоса для подпитки равна
Qпв = (0,1 —0,15 ) Qв = 0,1*0,15 = 0,015 м3/с.(39)
Диаметр трубопровода для подачи подпиточной воды равен
Dпв=4QпвπV=4*0.0153.14*2=0,1 м. (40)
Необходимый напор воды, который должен развивать пи подпитки, определяется по следующей формуле:
Нп = iп*lп +hм +hост + hг, м,(41)
гдеiп — удельные потери напора в водоводе подпитки (определяются по формуле 34), м.вод.ст./пм,
lп — длина водовода подпитки, м,
hм — местные потери напора, равные 10% от линейных потерь в подпиточном водоводе, м,
hост — остаточное давление (1 — 1,5 м ),
hг — геодезическая разность отметок расположения подпиточной насосной станции и пруда-отстойника, м.
Vп=4Qпвπ*Dпв2=4*0,0153,14*0,12=1,9 м/с.iп=λ*Vп2Dпв*2g=0,0175*1,920,1*2*9,81=0,032 м.вод.ст./пм.Нп = 0,032*850 + 4 + 1 + 12 = 42,2 м(41)
По рассчитанным значениям расхода подпиточной воды и необходимому напору выбирается тип подпиточного насоса.
В качестве подпиточного насоса принимаю Д630— 90.
VII. ГИДРОТРАНСПОРТ ПЕСКОВ НАЧ1РОМЫВНУЮ УСТАНОВКУ
В зависимости от производительности гидравлического разреза, высоты подъема песков на промывку и водообеспеченности принимается один из двух возможных способов подачи песков из гидравлического разреза на промывку: землесосный или гидроэлеваторный. Землесосные гидротранспортные установки обладают более высоким к.п.д. и обеспечивают более высокую производительность ( по сравнению с гидроэлеваторным способом подъема ) при сравнительно большей высоте подъема.
В соответствии с условиями залегания россыпи и принятым порядком разработки месторождения необходимо выбрать место для промывной установки ( или обогатительной фабрики ). Решение этого вопроса предопределяет расстояние между землесосной и промывной установками, а также высоту подъема пульпы землесосом на промывку.
По количеству забойных рабочих гидромониторов определяется количество одновременно работающих забойных землесосных установок. В практике гидравлических разработок принято следующее соотношение между забойными гидромониторами и землесосными установками: 2 — 3 гидромонитора на один забойный землесос.
Таким образом, если расчеты . показывают, что проектная производительность гидравлического разреза по горной массе может быть обеспечена при одновременной работе 2 — 3 гидромониторов, то в этом случае принимают один забойный землесос, при 4 — 6 гидромониторах — два забойных землесоса и т.д..
Производительность забойного землесоса по пульпе равна:
м3/час, (42)
где m — коэффициент пористости горных пород россыпи,
n1 — количество рабочих забойных землесосов ( грунтовых насосов),
и - коэффициент использования рабочего времени (0,6-0,8).
Qч.п.=80*(1-0,19+10,5)24*1*0,7=53,9 м3/час, (42)
Секундный расход по пульпе составит:
Qп = Qч.п. : 3600 = 53,9/3600 = 0,015 м3/сек.(43)
Для расчета параметров гидротранспорта песков соответствующего гидротранспортного оборудования необходимо определить диаметр пульповода и величину удельных гидравлических потерь напора, для чего сначала необходимо выполнить ряд промежуточных расчетов.
Плотность гидросмеси равна:
т/м3, (44)
где т и о — соответственно плотность песков и воды, т/м3.
γп=2,4*(1-0,19)+10,5*11-0,19+10,5=1,10 т/м3, (44)
Общая объемная концентрация частиц размытых песков гидросмеси определяется по формуле:
s=1-m1-m+q=1-0,191-0,19+10,5=0,07. (45)
а объемная концентрация частиц различных фракций в гидросмеси составит:
. (46)
где n1, n2, n3 — содержание в песках соответственно тонкодисперсных, грубодисперсных и крупнозернистых частиц, %.
s1=0,25*0,07100=0.000175;    s2=0,6*0,07100=0,00042;     s3=0,15*0,07100=0,000105(46)
Относительная плотность частиц в воде (параметр Архимеда) определяется по уравнению:
a=γт-γ0γ0=2,4-11=1,4. (47)
а относительная плотность частиц в гидросмеси — по формуле:
(48)
где s1 — объемная концентрация тонкодисперсных частиц гидросмеси.
a*=2,4/1-(1+1,4*0,000175)1+1,4*0,000175=1,399. (48)
Скорость свободного падения частиц грубодисперсных фракций (гидравлическая крупность ) в движущемся потоке воды определяется уравнению:
u* = 68*a*dср + о*а, см/с(49)
где dcp — средняя крупность грубодисперсных частиц, см, которая по исходным данным находится в пределах от 0,2 до 2,0мм и составляет поэтому
dcp = (0,2 + 2,0 ): 2 = 1,1 мм или 0,11 см,
о — температурный коэффициент, определяемый по формуле:
(50)
t —температура жидкости , град.
(50)
u* = 68*1,3*0,11 + 0,038*1,3= 9.8 см/с(49)
Удельные гидравлические потери напора при движении гидросмеси в пульповоде зависят от скорости пульпы и диаметра пульповода. Скорость гидросмеси в пульповоде должна быть больше критического значения на 10 — 20%. Это требование соблюдается при соответствующем диаметре трубопровода, который может быть определен по формуле:
(51)
где С - эмпирический коэффициент, определяемый по следующей формуле (u* и dcp в м):
(52)
где с’ и с” - эмпирические коэффициенты, зависящие от многих факторов, обычно принимаются в следующих пределах: с’ = 4,4 - 5,5; с” = 7-9;
f - относительный коэффициент трения крупнозернистых частиц о стенки трубопровода. Параметры u* и dcp в формуле (52) соответственно должны иметь следующую размерность: м/с и м.
C=59,8131,399*0,00042*0,0980,0011+80,475*1,3*0,000105*9,81=2,10.(52)
D=54*0,0151,2*3,14*2,102=0,14 м, (51)
По Приложению 1 выбирается стандартный диаметр пульповода, ближайший по значению, рассчитанному по формуле (51).
Принимаю стандартный диаметр пульпопровода Dп=150 мм.
В соответствии с выбранным диаметром пульповода Dп определяется фактическая скорость гидросмеси, которая гарантированно превышает критическую скорость (на 10 - 20 %):
Vп=4*Qпπ*DП2=4*0,0153,14*0,152=0,85 м/с, (51)
При установленных значениях диаметра пульповода и скорости гидросмеси по формуле проф. А.Е.Смолдырева определяются удельные потери напора (u* и Vп в одинаковых единицах измерения ):
(54)
где io — удельные потери напора в трубопроводе при движении чистой воды (рассчитываются по формуле 34);
о — отношение диаметра пульповода к среднему диаметр частиц грубодисперсной фракции ( диаметры пульповода транспортируемых частиц берутся одинаковой размерности );
с — эмпирический коэффициент, равный 0,4 — 0,5.
Значения скоростей и* и Vn в формуле ( 54) должны иметь размерность м/с.
iг=0,011(1+1,4*0,000175)+0,5*1,3990,00042*0,09825000,85++0,475*1,399*0,000105=0,0128 м.в.ст.,(54)
Необходимый напор гидротранспортной установк: обеспечивающий преодоление всех гидравлических сопротивлений подъем гидросмеси на заданную высоту, рассчитывается по следующс формуле:
Нз = Hг + 1,1*iг*Lп + hвс + hост , м,(55)
где Нг — высота подъема пульпы землесосом на промывную установку, м;
hвс — высота всасывания, м, ( принимается равной в пределах 2 — 4 м);
hост - остаточный напор, м, ( принимается равным в пределах 1 — 2 м );
Lп — дальность транспортирования гидросмеси, м.
Нз = 13 + 1,1*0,0128*950 + 3 + 1 = 30,4 м.(55)
По рассчитанным значениям необходимого напора производительности землесосной установки по каталогу или по Приложению 3 выбирается соответствующий тип землесоса.
Принимаю тип землесоса ГРУ 800/40.
Графическим способом определяются действительные напор и производительность землесосной установки. Для этого строит совмещенная характеристика землесоса и пульповода. Сначала расчетная характеристика землесоса, соответствующая гидротранспорту чистой воды пересчитывается на гидросмесь с плотностью п по формуле:
Нп=Нз1+0,6γп-γоγо0,85=30,4*1+0,61,11-110,85=32,1 м.в.ст.(56)
На графике расходной характеристики землесоса по результата пересчета строится характеристика землесоса по гидросмеси.
На этом же графике строится кривая гидравлических характеристик пульповода. Для этого по формулам (54) и (55) рассчитываются потери напора в пульповодной сети для разных значений производительности сети по пульпе. По результатам расчета строится гидравлических характеристика сети, точка пересечения которой с расходной характеристикой землесоса по гидросмеси (В) определяет действительные производительность землесоса по гидросмеси и развиваемый при этом напор.

Рисунок 4. График к определению рабочего режима гидротранспортной установки
Определяем расход воды, необходимый для обеспечения определенной по графику производительности землесоса по гидросмеси: Qn* q
Qв=Qп*q1-m+q=0,015*10,51-0,19+10,5=0,014 м3/с(57)
Полученное значение расхода воды несколько меньше рассчитанной ранее действительной производительности насосной установки - то система насос —гидромонитор — землесос находится в равновесии.
Рассчитывается мощность, потребляемая землесосом при гидротранспорте размытых песков:
Nз=Qп*Нп*γп102*η=0,015*32,1*1,11102*0,48=0,011 квт.(58)
Определяется удельный расход электроэнергии на гидравлическую разработку и транспорт песков:
e=(Nн+Nз)Qв=(1237+0,01)50,4=24,5 квт.ч/м3(59)
где Qb - расход воды, м3/ч.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Условный диаметр, Dу, мм Наружный диаметр труб, мм Толщина стенки трубы, t, мм
4 5 6 7 8 9 10 11 12
150 159 + + + + + + + + +
200 219 + + + + + + + + +
250 273 — — + + + + + + +
300 325 — —. + + + + + + +
350 377 — — + + + + + + +
400 426 — — + + + + + + +
450 476 ' — — + + + + + + +
500 52% — — + + + + + + +
600 631 — — + + + + + + +
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Тип насоса Производительность по воде, м3 / час Напор,
м.вод.ст. Мощность электродвигателя, кВт
Д500— 36 500 38 55
Д630— 90 630 90 250
Д800— 57 800 57 200
Д 1000—40 1000 40 160
Д 1250— 65 1250 65 200
Д 1250—125 1250 125 500
Д 1600—90 1600 90 500
Д 2000—100 2000 100 800
Д 2500—45 2500 45 400
Д 2500— 62 2500 62 500
Д 3200— 55 3200 55 630
Д 3200— 75 3200 75 800
Д 4000— 95 4000 95 1250
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Тип
землесоса Производительность по воде, м3/час Напор,
м.в.с. Диаметр рабочего колеса, мм Размер проходного сечения, мм Мощность электродвигателя, КВТ
Гру 800/40 800 40 700 150 200
Гру 800/71 800 71 730 150 400
ГрТ 800/71 800 71 730 150 400
ГрТ 1250/71 1250 71 720 140 630
ГрТ 1600/50а 800 45 740 \ 140 250
ГрТ 1600/50 1600 50 800 140 500
ЗГМ - 2м 1900 58 850 180 630
Гру 2000/63 2000 63 1050 230 630
16Грут - 8м 2000 55 950 - 230 500
16ГруТ - 8м 2200 63 1030 230 630
20Р-11м 3850 56 1250 220 1250
20ГруТ - 8м 4000 67 1360 300 1600