Гидравлические разработки

Гидравлические разработки

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ россыпей, добыча полезного ископаемого вместе с вмещающей его породой силой струи воды, выходящей под большим давлением из насадки водобоя (брызгала, монитора) и направленной на забой. Размытые водяной струей пески самотеком или при помощи струи из того же водобоя направляются на шлюзы - прямоугольного сечения желоба, назначение которых, с одной стороны, отделить полезное ископаемое от пустой породы, а с другой - удалить переработанные пески (хвосты) в отвал. На фиг. 1 представлен разрез, а на фиг. 2 - план идеальной схемы гидравлической разработки. Здесь 1 - залежь полезного ископаемого, почти всегда представляющая наносные отложения, 2 - подстилающие залежь, большей частью, твердокаменные породы, служившие ложем древней долины, 3 - отвал, образовавшийся в результате отложения смытых песков, 4 - шлюз, 5 - почвенные канавы, 6 - водобои, 7 и 8 - подводящие воду трубы.

План и разрез идеальной схемы гидравлической разработки

Рассматриваемый способ, изобретенный в Калифорнии в 1852 г. Маттисоном, применим в подходящих топографических и климатических условиях для разработки всякого рода обломочных месторождений, но главнейшее свое приложение он нашел при разработке золотых россыпей сначала в Калифорнии, а потом и в других местах земного шара (например, Сибирь, Новая Зеландия, Аляска). Для применения типичного способа гидравлической разработки необходимо, чтобы, помимо россыпи, обладающей достаточными запасами золотоносных песков, были налицо: достаточное количество воды (расход воды по объему во много раз превышает объем добываемых песков), достаточный напор у водобоев (обычно более 40 м) и достаточный уклон речной долины для отвода продуктов промывки самотеком. При отсутствии последнего условия приходится прибегать к установке т. н. гидравлического элеватора, что при данном количестве воды уменьшает производительность установки примерно в три раза, или к проводке тоннеля для отвода воды и хвостов.

Снабжение водой является основным вопросом при организации гидравлической разработки: это составляет главную статью расхода. Теоретическое количество воды Q (в м3) при проектировании гидравлической разработки определяется по формуле: Q = α·F·h, где F - горизонтальная проекция (в м2) поверхности, с которой собирается вода, h - высота (в м) столба выпадающих осадков в год, α - коэффициент потерь вследствие испарения и просачивания (для Европы α = 0,33, для Восточной Сибири, по данным Ячевского, не более 0,20). В странах с продолжительным зимним или сухим периодом времени предпочитают периодически действующие гидравлические разработки. В непрерывно действующих гидравлических разработках приходится или соразмерять производительность с минимумом количества воды в системе или устраивать водохранилище.

Подача воды от пруда или от места приема, из реки к месту потребления осуществляется с помощью канав, сплотков, или желобов, и трубопроводов. Канавы являются наиболее дешевым способом, и потому они применяются всегда, когда для этого имеются подходящие условия. Обычно канавы проводятся на пологом, более удобном склоне долины; им придают трапецеидальное сечение с откосами боковых стенок, отвечающими углу естественного откоса грунта. При твердом, но трещиноватом грунте дно канавы утрамбовывают глиной; на крутых склонах наружный борт канавы устраивают в виде двойной стенки, сложенной из камня на глине с центральным ядром из утрамбованной глины (фиг. 3).

Gidravl razrabotki 2

При скалистом или болотистом грунте, при пересечении боковых долин вместо канав устраивают сплотки - деревянные желоба прямоугольного сечения, составленные обычно из досок, соединенных в паз, отдельными звеньями по 4 м длиной, причем иногда стыки перекрываются узкими планками. Конструкция сплотков приведена на фиг. 4.

Конструкция сплотков

При переброске воды с одного склона неглубокой боковой долины на другой сплотки помещаются на козлах. Вместо сплотков иногда укладывают металлические желоба.

При расчете открытых водопроводов необходимо знать: расход воды Q, скорость течения в канаве (желобах) V, поперечное сечение потока F (последнее определяется из уравнения F = V/Q или же из уравнения F = p·R, где р - мокрый периметр, a R - гидравлический радиус) и угол α наклона канавы (sin α = H/L , где Н - общее падение канавы, a L - ее длина). Расчетное количество воды Q должно отвечать расходу на месте потребления и потерям в водопроводе, которые Лонгридж, основываясь на данных американской практики, определяет в 25% от расхода на месте потребления. Большие скорости вызывают значительные потери в напоре, но зато позволяют уменьшить сечение водопровода. Практика указывает следующие применявшиеся скорости воды в разного рода водопроводах: в канавах - от 0,6 до 1,3 м/сек, в сплотках - от 0,8 до 2,4 м/сек, в желобах - до 3,6 м/сек.

Для расчета уклона Лонгридж рекомендует пользоваться следующей формулой:

Для расчета уклона Лонгридж рекомендует пользоваться следующей формулой

где V, R и Н даны в м, а К - коэффициент, зависящий от характера стенок водопровода; так, для канав с ровным галечным дном и правильными закруглениями коэффициент К = 0,5, для деревянных сплотков из строганных досок K = 0,8, для прямых и гладких желобов K = 1,0. В Калифорнии приняты уклоны канав в 1,8—4,0 м на 1 км, сплотков в 5,0—7,1 м на 1 км.

В некоторых случаях приходится переходить от открытых водопроводов к закрытому - трубопроводу, а именно: при переброске воды через глубокие боковые долины или с одного склона главной долины на другой, при пересечении невысоких холмов и при подводе воды от напорного ларя к потребляющим приборам. Трубы при гидравлических разработках применяются металлические, железобетонные и деревянные. Диаметры труб достигают больших величин: металлических - до 1,1 м, деревянных и железобетонных - до 1,65 м. Представление о размерах водопроводов при гидравлических разработках могут дать следующие примеры. Водопровод, устроенный предприятием Yukon Gold Mining С° для снабжения водой гидравлической разработки и гидростанции, имеет общее протяжение свыше 100 км, из которых на сплотки приходится 24 км, на канавы - 59 км и на трубы - 19 км. Вода доставляется с напором в 150 м в количестве до 21,2 м3 в мин. Размеры канавы: ширина у дна 2,7 м; слой воды - около 1 м, уклон - 1 м на 1 км; размеры сплотков: шириной 1,8 м, высота 1,2 м, уклон 2,6 м на 1 км; трубы уложены стальные и деревянные, диаметром от 1,0 до 1,35 м. В месте пересечения реки Клондайка устроен грандиозный сифон из стальных труб в 1,1 м диаметром, проложенных по специальному железному мосту. Общая стоимость гидравлических установок (с электрической станцией) - около 7 млн. р.

Обычно в тех случаях, когда открытый водопровод переходит в закрытый, а также перед питательным водопроводом, устанавливается напорный ларь с недоходящими до дна перегородками для улавливания плывущих с водой разных предметов. Устье трубы д. б. на 0,5—1,0 м ниже уровня воды в ларе. Напорный ларь снабжается водоспуском, через который спускают воду, когда останавливается действие приборов.

С помощью питательного водопровода, состоящего из магистральной питательной линии и распределительных труб, вода подается к водобоям. Водобой состоит из следующих частей (фиг. 5):

Водобой

1 - колено, прикрепляемое болтами к фундаментной балке, которая укладывается на почве выработки и заваливается крупными камнями, 2 - шлем, сочленение которого с коленом допускает поворот в горизонтальной плоскости шлема и всей вышележащей части; фланец шлема снабжен закраинами, которые охватывают фланец колена, а уплотнение стыка достигается резиновыми или кожаными прокладками, помещаемыми в кольцевые выемки; 3 - яблоко, служащее для перемещения кольцевой части водобоя в вертикальной плоскости на угол до 45°; 4 - конус, заканчивающийся насадкой 5 для направления струи; 6 - рычаг с противовесом 7, служащий для управления водобоем. В больших водобоях устраиваются шариковые подшипники и для надежности (при больших напорах) сочленение шлема с коленом снабжается центральным болтом 8. Конус водобоя снабжается внутри направляющими (фиг. 6), назначение которых - остановить вращение струи.

Конус водобоя снабжается внутри направляющими, назначение которых - остановить вращение струи

При мощных установках и больших напорах для изменения направления струи применяется дефлектор (фиг. 7), который помещается между конусом и насадкой, свободно вращается на шарнире Кардана 1 и управляется рычагом 2; когда вытекающая струя отклоняется дефлектором, она в силу реакции толкает водобой в противоположном направлении; рычаг легко приводится в движение и делает возможным точное управление водобоем.

При мощных установках и больших напорах для изменения направления струи применяется дефлектор

Скорость истечения воды из насадки определяется формулой:

Скорость истечения воды из насадки определяется формулой

где Н - полный напор, представляющий разность горизонтов насадки и уровня воды в напорном ларе; k - КПД водопровода, равный около 0,80; k' - КПД водобоя, равный по Гаррарду 0,94, а по Лонгриджу 0,80—0,85.

При работе одним водобоем обычно сначала делают вруб у плотика россыпи и затем смывают вышележащий материал; после этого струей из водобоя, а в некоторых случаях так называемой проходной водой из ручья или речки, протекающей в долине, помогают смытой массе материала продвигаться по канавам, углубленным в плотике от забоя до головной части шлюзов. Затем происходит тщательная зачистка плотика от смываемого материала, часто обогащенного драгоценным металлом. Крупные валуны или разбуриваются или удаляются с помощью дерриков.

Для беспрерывной работы необходимо иметь два забоя, из которых один находится в разработке, а в другом происходит зачистка почвы и перестановка водобоев. Для непрерывной работы по размыву требуются два одновременно работающие водобоя в каждом забое, из которых один является вспомогательным для подачи смытого материала в шлюз. Водобои д. б. расположены на таком расстоянии от забоя, чтобы, с одной стороны получался удовлетворительный эффект от действия струи, а с другой, была гарантирована безопасность людей и аппаратов от обвалов породы. Обычно водобои работают при напорах в 60—120 м, в некоторых установках - до 180 м. Соответствующая последней цифре дальность полета струи равна ~200 м, а высота 50 м. Для получения лучшего результата струя направляется к забою под острым углом.

Из канав смытый материал поступает на шлюзы. Главное назначение шлюзов, помимо окончательного разрыхления (протирки) материала и удаления переработанных продуктов в отвал, - улавливание частиц золота и других драгоценных металлов, для чего шлюзы снабжаются особыми приспособлениями - трафаретами. Обычные размеры шлюзов: длина 200—2000 м, ширина 0,6—1,8 м, глубина 0,6—1,0 м. Шлюзы делаются из дерева, редко - из железа; деревянные конструкции имеют двойные боковые стенки, а в случае ординарных стенок последние обиваются железом для предохранения от износа крупными камнями. Для безостановочной работы иногда устраивают двойные шлюзы: пока на одном шлюзе происходит съемка золота, другой шлюз работает. Двойные шлюзы устраиваются также при разработке оловосодержащих наносных отложений. При проектировании трасы шлюзов надо, по возможности, избегать закруглений. Скорость плывущей по шлюзам мути д. б. достаточной для того, чтобы транспортировался наиболее крупный обломочный материал; однако эта скорость не д. б. слишком большой, чтобы не сносилось со шлюзов золото. Чем мельче в россыпи золото, тем меньше д. б. скорость потока на шлюзах, и наоборот. Для определения соотношения между скоростью потока и величиной проносимого обломочного материала можно руководиться следующими эмпирическими числами:

Для определения соотношения между скоростью потока и величиной проносимого обломочного материала можно руководиться следующими эмпирическими числами

Для нормально действующих гидравлических разработок шлюзы устраивают с уклоном в 0,04—0,05. При невозможности получить необходимый уклон устраивают гидравлический элеватор или используют проходную воду; иногда же путем проходки тоннеля находят выход в соседнюю ниже лежащую долину.

Золотоулавливающие приспособления шлюзов при гидравлических разработках – трафареты

Золотоулавливающие приспособления шлюзов при гидравлических разработках – трафареты - представляют собой деревянные бруски круглой или прямоугольной формы, уложенные с зазорами (фиг. 8), или небольшие одинаковых размеров валуны (фиг. 9), или же рельсы, уложенные вдоль, а иногда поперек шлюзов (фиг. 10).

Золотоулавливающие приспособления шлюзов при гидравлических разработках – трафареты (валуны)

Все эти приспособления далеко не совершенны.

Золотоулавливающие приспособления шлюзов при гидравлических разработках – трафареты (рельсы)

Поэтому для лучшего улавливания золота устраивают по длине шлюза через некоторые промежутки подшлюзки, на которых струей меньшей скорости и большей ширины промывается мелкий материал. Конструкция подшлюзка изображена на фиг. 11.

Конструкция подшлюзка

На главном шлюзе 1 дно в определенном месте заменяется колосниками 2, через которые проваливаются песок, мелкая галька и часть воды. Провалившийся материал поступает в расположенный под прямым углом к главному шлюзу желоб - американку 3. Через отверстия в боковой стенке американки материал направляется на шлюзы обычного типа 4 (где улавливается большая часть золота) и поступает в сборный желоб - американку 5, откуда снова возвращается в главный шлюз. С этой целью главный шлюз устраивается с уступом 6 или же ему придается тотчас за колосниками большой уклон. Часто при уступах для удаления со шлюзов крупных камней кладутся с уклоном колосники 7. На гидравлических разработках North Bloomfield Mining С° (Калифорния) при длине главного шлюза около 500 м подшлюзки устроены на расстоянии 18, 27, 54 и 240 м от начала шлюза. На Ленских промыслах (река Ныгри) в конце шлюза (25,6 м длины) имелся 1 подшлюзок, длиной 10,6 м, шириной 5,8 м, при уклоне 1:12,5. При промывке на главном шлюзе и на подшлюзках применяется ртуть; заливка ртути особенно необходима при преобладании мелкого золота. Сполос шлюзов и съемка золота производятся по возможности редко (иногда лишь два раза в операционный период). По данным калифорнийских разработок, на первых 60 м шлюза оседало около 80% всего уловленного на шлюзах золота, общая же добыча составляла 60—85% золота, содержащегося в месторождении; остаток уходил главным образом в хвосты.

Гидравлические элеваторы служат для подъема воды, песка и гальки на некоторую высоту; они применяются при недостаточном уклоне плотика и при залегании россыпи ниже поверхности окружающей местности. На фиг. 12 представлен схематический план и разрез установки при недостаточном уклоне плотика:

Схематический план и разрез установки при недостаточном уклоне плотика

здесь 1 - почвенная канава; 2 - зумпф; 3 - головной гидравлический элеватор (инжектор), подающий материал из зумпфа в головную часть шлюза 4, расположенного на козлах; 5 - подшлюзок, на который направляется мелкий материал (песок), уносимый текущей водой по канаве 6; 7 - хвостовой гидравлический элеватор (инжектор), подающий крупный обломочный материал (гальку) через шлюз 8 в отвал 9; наконец, 10 - трубы, подающие воду под напором к элеваторам, а 11 - труба, подводящая добавочную воду к канаве подшлюзка. Описанная установка действовала в нижнем течении реки Ныгри Олекминского золотопромышленного района. На фиг. 13 представлена схема установки для второго случая:

Gidravl razrabotki 15

здесь 1 - золотоносный материал, 2 - шлюз на плотике россыпи, 3 - зумпф, 4 - элеватор, 5 - шлюз на поверхности окружающей местности и 6 - отвал.; На фиг. 14 изображена конструкция элеватора:

Конструкция гидравлического элеватора

1 - фланец водонапорной трубы, 2 - изогнутая соединительная труба, 3 - насадка, 4 - приемное отверстие, 5 - горловина (цельная, а иногда и составная отливка) из специальных сортов стали, 6 - внешняя коническая часть и 7 - отводящая труба. Чтобы предотвратить попадание в элеватор крупных камней, могущих остановить его работу, перед зумпфом устраивается задерживающая их решетка. Угол наклона элеватора 35—45°; высота подъема обычно равна 6—7,5 м, но в некоторых случаях доходит даже до 27 м. Считается, что от 50 до 66% всей воды, под напором расходуется на работу самого элеватора и только остальное количество - на полезную работу водобоев. Высота подъема элеватора составляет 10—20% напора воды в насадке. Более высокий подъем м. б. осуществлен путем ступенчатой установки; в этом случае около 33% всей расходуемой на подъем воды идет на нижний элеватор и около 67% - на верхний. Вес твердого материала, поднимаемого элеватором, составляет не более 5% (обычно 2—3%) веса поднятой массы. Низкий КПД гидравлических элеваторов вызвал попытки заменить их механическими элеваторами, работающими на энергии, получаемой от гидроэлектрических станций. Однако, механические элеваторы не получили распространения главным образом в силу малой их подвижности, плохой работы центробежных насосов и усложнения процесса. Гидравлические элеваторы дают возможность сильно укоротить шлюзы (до нескольких десятков метров) в виду сильного перетирающего и разрыхляющего действия засасывающей и ударяющей струи воды из насадки, что сводит функцию шлюзов только к уловлению золота и переносу материала в отвал.

Задалживание людей при гидравлических разработках нормального типа невелико; при каждом работающем водобое задалживается один человек; кроме того, задалживаются рабочие при перестановке водобоя и труб, проведении почвенных канав, наращивании шлюзов, разбивке и уборке крупных камней. Наличие гидравлического элеватора увеличивает задалживание людей: обычно 1—2 рабочих постоянно задалживаются при зумпфе элеватора, и, кроме того, почти всегда необходима установка небольшого водобоя в конце шлюзов для разравнивания отвала. На предприятии Pioneer Mining С° задолжено при водобоях в разрезе 2 чел., при водобое на отвале – 1 чел., при элеваторе - 2 чел., на уборке камней - 2 чел. с двумя лошадьми и на разных работах - 1 чел.; всего - 8 чел.

Производительность гидравлических разработок, требующих крупных первоначальных затрат, особенно велика при благоприятных водных условиях. Для крупнейших гидравлических разработок зафиксированы следующие размеры годовой производительности, которой они достигли в разные годы своей работы:

Производительность гидравлических разработок

Факторы, определяющие производительность, таковы: полезная работа единицы израсходованной воды под данным напором; количество воды, расходуемое в сутки, и продолжительность годовой операции. Под выражением полезная работа понимается число м3 породы, которое может быть смыто и перенесено по шлюзам в течение 24 ч. при расходовании определенного количества воды в минуту. В США работа на гидравлических разработках измеряется так называемым рудничным дюймом (miner’s inch), т. е. количеством воды, вытекающим в минуту из прибора через стандартное отверстие в 1 дм.2 (6,5 см2) под напором в 6,5 дм. (16,5 см), что составляет 43,3 л/мин. Лонгридж определяет отношение между объемом размытого грунта и объемом израсходованной воды в 1:34,1. В действительности величина полезной работы одного м3 израсходованной воды варьирует в широких пределах (табл. 1).

Полезная работа воды при различных условиях

Поэтому при проектировании гидравлических разработок необходимо руководствоваться данными предприятий, работавших в аналогичных условиях с проектируемыми.

Стоимость добычи и промывки 1 м3 золотосодержащего материала россыпей колебалась, как и полезная работа, в очень широких пределах - от 8 до 65 коп., а при особо неблагоприятных условиях до 1 руб. 50 коп. В табл. 2 приводятся данные о стоимости добычи и промывки 1 м3 материала (без амортизации) в некоторых крупнейших американских установках.

Стоимость добычи и промывки 1 м3 материала (без амортизации) в некоторых крупнейших американских установках

Распределение расходов на 1 м3 по отдельным статьям приведено в табл. 3.

Распределение расходов на 1 м3 по отдельным статьям

В России первые гидравлические разработки были организованы инженером Шостаком в нижнем течении реки Ныгри в Ленско-Олекминском золотопромышленном районе в 80-х гг. прошлого (19-го) века. Разработки происходили в трудных условиях с применением гидравлического элеватора, при небольшой годовой производительности и высокой стоимости добычи. Позднее, в 1916 году, в той же долине реки Ныгри (среднее течение) вновь были поставлены гидравлические разработки, также давшие неудачные результаты. Действовали гидравлические разработки и в Енисейской тайге, в Забайкалье и на Дальнем Востоке. Довольно много маломощных гидравлических разработок функционировало на Алтае. Однако, этот дешевый и в некоторых случаях единственно применимый способ до 1914 года не получил широкого распространения в России, главным образом по причине недостатка капитала в русской золотопромышленности. Ныне, в связи с общим восстановлением золотопромышленности СССР и реконструкцией приискового хозяйства на основе применения рациональных механизированных способов добычи золота, восстановлены и действуют почти все гидравлические разработки, работавшие до 1914 года.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.