автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы установки гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха для закрепления неустойчивых горных пород

На правах рукописи /С'

Назаров Андрей Петрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ СО СПУТНЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005057998

1 П ПАП

2913

Тула-2013

005057998

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» на кафедре геотехнологии и строительство подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Головин Константин Александрович

Официальные оппоненты:

ЛУКИЕНКО Леонид Викторович доктор технических наук, профессор, Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева / кафедра технической механики, заведующий кафедрой.

ДЕМИН Константин Вячеславович кандидат технических наук, ОАО «Тулаоблгаз» / производственно-технический отдел, заместитель начальника.

Ведущая организация: ОАО «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «ТулНИГП»)

Защита диссертации состоится «22» мая 2013г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012 г. Тула, просп. Ленина, 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-13-05,

e-mail: toolart@mail.ru.

Автореферат разослан « 18 » апреля 2013 г.

Андрей Борисович Копылов

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные тенденции роста объёмов подземного строительства, повышение требований к работам с точки зрения безопасности при устройстве тоннелей, кабельных коллекторов, а также прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин при наличии на поверхности зданий, что создает необходимость в создании новых технических средств. При ведении работ в неустойчивых горных породах возникает потребность в придании массивам новых физико-механических свойств. Вариантом решения данной проблемы является гидроструйная цементация со спутным потоком воздуха. Смысл ее заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, которая во взаимодействии со спутным воздушным потоком, направляется на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. Однако, отсутствие научно обоснованных методов выбора рациональных режимов работы оборудования для закрепления наибольшего диаметра при наименьших энергетических затратах делает актуальным работу.

Необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния различных параметров процесса на эффективность работы установок, реализующих ГСЦ со спутным потоком воздуха в неустойчивых горных породах, что в свою очередь определяет актуальность работы.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации».

Целью работы является установление закономерностей изменения параметров и режимов работы установки гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающих повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород.

Идея работы заключается в повышении эффективности закрепления неустойчивых горных пород за счет гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха при рациональных энергетических параметрах процесса.

Основные научные положения, выносимые на защиту: установлено, что применение гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха обеспечивает увеличение диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива неустойчивых горных пород;

выявлено, что диаметр и скорость приращения объема закрепляемого массива зависят от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;

получена область значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающая минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлено, что при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха рациональная скорость перемещения бурового става с увеличением диаметра отверстия струсформирующей насадки водоцементной струи от 0,002 м до 0,003 м возрастает в среднем в 1,7 раза и лежит в диапазоне от 0,0029 м/с до 0,014 м/с, а при росте частоты вращения от 0,17 с"1 до 0,33 с"1 падает в 1,4 раза;

выявлено, что рациональная область изменения скорости перемещения бурового става лежит в диапазоне от 0,5 м/с до 0,7 м/с ;

получена эмпирическая зависимость изменения рациональной скорости перемещения бурового става от частоты его вращения и диаметра струеформирующих насадок, отличающаяся учетом спутного потока воздуха гвдроструйной цементации неустойчивых горных пород, при минимизации энергетических затрат;

установлена обобщенная эмпирическая зависимость, позволяющая определять диаметр закрепляемого массива при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха с учетом давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также сцепления горных пород.

Метод исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области закрепления неустойчивых горных пород способом гидроструйной цементации; экспериментальные исследования закрепления массива гидроструйной цементацией со спутным потоком воздуха в условиях лаборатории ТулГУ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: объемом проведенных экспериментов, корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Кмр<25%).

Научное значение работы заключается:

в установлении закономерностей изменения диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;

в установлении зависимостей, позволяющих изменять диаметр закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также сцепления горных пород, и определении области значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающим минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, которая определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.

Практическое значение работы заключается:

в разработке экспериментального стенда и методики проведения исследований процесса закрепления неустойчивых горных пород на основе гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха;

в разработке методики обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха.

Реализация работы. Основные научные результаты и практические рекомендации приняты Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» при проектировании высоконапорного оборудования. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам: «Дорожные машины и производственная база строительства», «Горные машины». Программное обеспечение используется при курсовом и

дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на научных семинарах кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений» ТулГУ (г.Тула, 2009 - 2013 гг.); 12-ом Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр»(г. Томск, 2008 г.); 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г.Тула. 2010.); 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г.Тула. 2011); 4-ом Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г.Орел 2010); 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и

технологий» (г.Тула 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них 2 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных В.А. Бреннером, И.И. Бройдом, К.А. Головиным, И.М. Коноваловым, Л.И. Малышевым, А.Е. Пушкаревым, Л.С. Ушаковым, М.Ф. Хасиным, С.С. Шавловским, С.Б. СоуП, С. СиаНеп, Т. УазЫго, Н. Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ является прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и неустойчивых горных пород для последующего укрепления фундаментов, создания стены в грунте, уплотнения тоннелей, укрепления склонов, создания диафрагмы плотин, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных завес, укрепления откосов при ведении открытых работ. Однако в настоящее время прогнозирование процесса закрепления массива неустойчивых горных пород гидроструйной цементацией со спутным потоком воздуха производится на основе частного опыта без учета особенностей воздействия водоцементной струи со спутным воздушным потоком и критериев оценки эффективности использования энергии водоцементной струи со спутным воздушным потоком.

В соответствии с целью и идеей работы были поставлены и решены следующие задачи исследований:

- разработать методические основы и создать экспериментальную базу для проведения исследований процесса и средств гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха горных пород.

- определить эффективность применения гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха для закрепления массива неустойчивых горных пород;

- установить закономерности влияния конструктивных и режимных параметров, а также физико-механических свойств горных пород на показатели процесса формирования закрепляемого массива горной породы гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха;

- получить расчетную зависимость для определения диаметра закрепляемого массива гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха для различных значений параметров процесса.

Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород, являются (рис. 1):

- конструктивные: диаметр пилотной скважины коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку //, диаметр отверстия струеформируещей насадки с10 диаметр воздушной насадки <1в (конструктивной особенностью воздушной насадки мы

пренебрегаем, а именно формой сечения насадки);

- режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения бурового става V, частота вращения бурового става п, давление водоцементной суспензии Р, давление воздуха Рв\

- физико-механические свойства горных пород.

Рис I Схема ГСЦ со СПИ,,..., потоком во,духа горны*

Г—^і-г/^—

г, качеСТве основных критериев оценки эффективности процесса

цементацией со спутным потоком воздуха горных пород Е0.

Для установления закономерностей процесса гидроструинои цементацией со спутным потокомвоздуха

пповедены экспериментальные исследования. ^ н

данной технологии гидроструйной цементацией со спутным потоком

Диапазон изменения параметров ГСЦ со спутным потоком воздуха представлен в табл. 1

Таблица 1

Основные технические характеристики стендовой установки

№ п/п Наименование характеристики Значение

1 Давление водоцементной суспензии перед струеформирующей насадкой, МПа до 60

2 Давление воздуха, МПа 0,5-4

3 Диаметр струеформирующей насадки, м 0,0020; 0,0025; 0,0030

4 Диаметр воздушной насадки, м 0,002-0,005

5 Частота вращения поворотного стола, с"1 0-0,5

6 Скорость перемещения ГСЦ инструмента в радиальном направлении, м/с 0-0,0083

7 Мощность электродвигателя насосной установки, кВт 35

8 Суммарная мощность электродвигателей привода, кВт 5,5

9 Номинальное напряжение, В 380

10 Масса (без учета массы насосной установки и горной породы), кг | 750

Была разработана специальная стендовая установка, с источником водоцементной суспензии высокого давления до 60 МПа и с источником воздуха до 4 МПа, включающая в себя цементировочный насос и компрессор. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной р = 2000 кг/м . Для регистрации давления водоцементной суспензии стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманометра и измерительной станции на базе ПК. В исследованиях применялись струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода ц = 0,75.

Работы в стендовых условиях проводились в пяти различных горных породах. В качестве показателя физико-механических свойств горных пород на основе исследований Головина К. А был принят коэффициент сцепления С горных пород в диапазоне от 0,064 до 0,006.

В ходе экспериментов проводились исследования по установлению влияния конструктивных и режимных параметров на диаметр закрепляемого массива.

С целью получения функциональной зависимости для определения рациональной скорости подъема бурового става Vm были проведены экспериментальные исследования по установлению влияния скорости подъема бурового става и диаметра струеформирующей насадки на скорость приращения объема закрепляемого массива (удельную энергоемкость процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха) при различных значениях частоты вращения бурового става.

Анализ экспериментальных данных показывает, что для любой частоты вращения бурового става скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости подъема бурового става вначале увеличивается, достигает своего максимума и начинает уменьшаться, т. е. изменяется по зависимости, близкой к параболической. С увеличением давления воздуха скорость также увеличивается и диаметр закрепляемого массива тоже увеличивается. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха) соответствует рациональной скорости подъема бурового става доя данного диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения бурового става.

Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость (1) рациональной скорости перемещения от диаметров струеформирующих насадок водоцементной суспензиии и воздуха, и частоты вращения бурового става:

Г/ — Г\ О 1 53м0jO.70

V„=0,21d0 п de (!)

Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,97, а критерий Фишера jF=30,2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости при 5% уровне значимости составляет F0¡05= 4,06, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил K.v= 24,8%, что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.

Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения бурового става,давление водоцементной суспензии, давление воздуха, частота вращения бурового става, диаметр отверстия водоцементной

стру сформирующей насадки, диаметр отверстая воздушной струсформирующей насадки, коэффициент сцепления, коэффициент расхода суспензии через насадку, плотность водоцементной суспензии.

Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр закрепляемого массива приводят к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не изменялась. К числу неизменяемых факторов относятся следующие: р, Д, и ц.

Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива 2), м,

р 1,14 * 1,29 П 0,20 .0,78

п — О 72 ° ' т

Индекс корреляции для данного выражения составил R - 0,91 , критерии Фишера F = 148 2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (2) при 5% уровне значимости составляет FftM= 3,96, тго подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Ква= 15)7) что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.

пр" , и 2

Oikcii, М

Рис. 2. Сопоставление экспериментальных D жсп_ и расчетных D ,шс. данных

Полученная зависимость (2) позволяет рассчитать диаметр закрепленого породобетонного массива при использовании ГСЦ со спутным потоком воздуха в зависимости от свойств горных пород, режимов работы установки и конструктивного исполнения инструмента.

В диссертации разработана методика расчета конструктивных параметров буровых ставов для закрепления неустойчивых горных пород, режимных параметров процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха и разработан комплект оборудования для реализации ГСЦ со спутным потоком воздуха.

Создание комплекта оборудования для реализации ГСЦ со спутным потоком воздуха состоит из следующих этапов:

- выбор источника водоцементной суспензии высокого давления из ряда существующего оборудования, наиболее полно отвечающего технологическим потребностям разрабатываемого оборудования;

- выбор источника давления воздуха из ряда существующего оборудования, наиболее полно отвечающего технологическим потребностям разрабатываемого оборудования;

выбор базовой буровой установки, отвечающей требованиям

эксплуатации при реализации технологии ГСЦ со спутным потоком воздуха;

- разработка оригинальной конструкции инструмента, оснащение которой базовой буровой установки обеспечит закрепление неустойчивых горных пород при рациональных параметрах процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха.

Вариант конструктивного исполнения инструмента, реализующую технологию ГСЦ со спутным потоком воздуха, представлен на рис. 3.

Рис. 3. ГСЦ инструмент со спутным потоком воздуха (конструктивная схема):

1 - клапанное устройство; 2 - воздушное струеформирующее устройство; 3 - водоцементное струеформирующее устройство; 4 - воздушный канал; 5 - оидоцементный канал; б - промывочный канал; 7-буровой инструмент

I А

і 1 І. і_ £

І /її

№

ГСЦ инструмент со с путным потоком воздуха состоит из клапанного устройства, струеформирующих устройств воздуха и водоцементной суспензии, промывочного канала, воздушного канала, водоцементного канала и бурового инструмента. Клапанное устройство служит для реагирования на повышение давления водоцементной суспензии. Технологическая особенность ГСЦ со спутным потоком воздуха заложена в использовании воздушной струи совместно с водоцементной при закреплении массива неустойчивых горных пород. Водоцементная струя, находясь в среде пониженной плотности, обладает большей дальностью проникновения в массив, тем самым ГСЦ со спутным потоком воздуха имеет больший диаметр закрепления массива неустойчивых горных пород. Данный инструмент ГСЦ со спутным потоком воздуха совместим с базовыми буровыми установками.

На основании выполненных исследований разработана инженерная методика расчета диаметра закрепляемого массива для реализации ГСЦ со спутным потоком воздуха в зависимости от свойств горных пород, режимов работы установки и конструктивного исполнения инструмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании экспериментальных и теоретических исследований установлены закономерности влияния конструктивных параметров с учетом прочности пород обобщенные для гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха и режимов его работы на показатели процесса закрепления, позволяющие осуществлять работу в области минимальной энергоемкости процесса, что имеет существенное значение для горной промышленности России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следущему:

1. Установлено, что при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород давление водоцементной суспензии, скорость перемещения бурового става и частота его вращения, диаметр струеформирующей насадки, а также давление воздуха оказывают существенное влияние на диаметр закрепляемого породобетонного массива. В частности, при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5 — 1,8 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива также линейно в среднем 1,6 раза. С увеличением скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также коэффициента сцепления горных пород диаметр закрепляемого породобетонного массива уменьшается. Получена зависимость для определения диаметра закрепляемого породобетонного массива при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха.

2. На основании взаимосвязи конструктивных и режимных параметров технологического инструмента с показателями процесса гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород

выявлены области минимальных удельных энергозатрат и максимальных скоростей приращения объема закрепляемого массива, определяющие рациональные значения скорости перемещения бурового става. При этом обнаружено, что значения рациональной скорости перемещения бурового става не зависят от коэффициента сцепления горных пород. Получена расчетная формула для определения рациональных значений скорости перемещения бурового става применительно к различньм условиям процесса гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород.

3. Предложена технологическая схема работы оборудования гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха для различных горных пород.

4. Разработана оригинальная конструкция оборудования гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха обеспечивающая возможность реализации данной технологии при закреплении массива неустойчивых горных пород.

5. Разработанный пакет программ для персонального компьютера «Методика расчета параметров технологического инструмента и режимов работы гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха» передан МОО «Академия горных наук» и использован при разработке опытных образцов ГСЦ установок.

Основные положения диссертации опубликованы в следущих работах:

1. Назаров А.П. Исследования процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород / Головин К.А., Тихонцов А.Н7/ Материалы 12-ого Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» / ТПУ, 14-18 апреля 2008г. Томск, Россия Т.13. С.650-652.

2. Назаров А.П., Определение физико-механических свойств закрепляемого массива горных пород. / Пушкарев А.Е., Тихонцов А.Н. // Материалы 12-ого Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» / ТПУ, 14-18 апреля 2008г. Томск, Россия Т.13. С.660-662.

3. Назаров А.П. К вопросу о прочности горного массива закрепленного методом ГСЦ. Гарипов М.В., Пушкарев А.Е. // Ударно-вибрационные системы, машины и технолгии: материалы 4-го международного научного симпозиумаА Под ред. Д-ра техн. Наук профессора ЛС Ушакова. Орел: ОрелГТУ 2010-384 с. 118-123

4. Назаров А.П. Определение прочности горного массива, обработанного методом ГСЦ. / Белякова Е.В., Гарипов М.В., Пушкарев А.Е. // Материалы б-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и

энергетики»/ ТулГУ, 27-29 октября 2010 г. Тула-Донецк-Минск. Тула. 2010. Т. 1. С. 342-347.

5. Назаров А.П. Современные технологии усиления оснований и фундаментов. / Белякова Е.В., Гарипов М.В., Головин К.А. // Материалы 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ ТулГУ, 27-28 октября 2011 г. Тула-Донецк-Минск. Тула. 2011. Т. 1. С. 331-336.

6. Назаров А.П. Сущность и виды технологии гидроструйной цементации. / Белякова Е.В., Гарипов М.В., Головин К.А., Пушкарев А.Е. // Материалы 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ ТулГУ, 27-28 октября 2011 г. Тула-Донецк-Минск. Тула. 2011. Т. 1.С. 328-331

7. Назаров А.П. Стендовая база для изучения гидроструйной цементации неустойчивых горных пород. Гарипов М.В., Пушкарев А.Е., Лежебоков A.B., Орехов М.Ю. // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 247-250.

8. Назаров А.П. Исследование технологии гидроструйной цементации двухкомпонентными водоцементными струями. Головин К.А., Лежебоков A.B. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12 ч.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 349-354.

9. Назаров А.П. Специальные способы ведения работ в неустойчивых горных породах. Белякова Е.В., Головин К.А., Лежебоков A.B., Пушкарев А.Е. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12 ч.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 354-359.

Ш.Назаров А.П. Способы закрепления горных пород. // Материалы 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и технологий» / под общ. ред. А.Л. Чеботарева. В 2 ч. II Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. С. 18-19.

П.Назаров А.П. Обобщенная зависимость расчета породобетонных конструкций. // Материалы 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и технологий» / под общ. ред. А.Л. Чеботарева. В 2 ч. II Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. С. 19-21.

12. Назаров А.П. Особенности процесса гидроструйной цементации методом двухкомпонентной струи. Белякова Е.В., Гарипов М.В., Головин К.А. // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.98-101.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.04.2013 Формат бумаги 60x84 '/¡б- Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 014 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

Федеральное агентство по образованию РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201357103

НАЗАРОВ Андрей 11етрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ СО СПУТНЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

05.05.06 - Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Головин К.А.

Гула-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1. Анализ способов закрепления неустойчивых горных пород 9

1.2. Гидроструйная цементация неустойчивых горных пород 12

1.2.1 Суть технологии гидроструйной цементации неустойчивых горных пород 12

1.2.2. Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород 16

1.2.2.1. Источник водоцементной суспензии высокого давления 16

1.2.2.2. Источник давления воздуха 24

1.2.2.3. Буровые установки для ГСЦ со спутным

потоком воздуха 24

1.3 Опыт практического применения машин для ГСЦ со спутным потоком воздуха 28

1.3.1. Закрепление массива при проведении проходческих работ 28

1.3.2. Ограждение стен котлованов 30

1.3.3. Закрепление горного массива при строительстве подземных коммуникаций 34

1.3.4. Перспективы развития технологии ГСЦ

со спутным потоком воздуха для горной промышленности 37

1.4. Цель и задачи исследований 37

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 39

2.1. Факторы и показатели процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород 39

2.2. Общие положения методики экспериментальных исследований 42

2.3. Стендовая база исследования ГСЦ со с путным потоком воздуха 45

2.4. ГСЦ инструмент со с путным потоком воздуха 48

2.5. Показатель физико-механических свойств горных пород 49

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГСЦ СО

СПУТНЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА 51

3.1. Влияние давления водоцементной суспензии на

диаметр закрепляемого массива 51

3.2. Влияние скорости перемещения бурового

става на диаметр закрепляемого массива 54

3.3. Влияние диаметра водоцементной струеформирующей насадки

на диаметр закрепляемого массива 57

3.4. Влияние диаметра воздушной струеформирующей насадки

на диаметр закрепляемого массива 59

3.5. Влияние частоты вращения бурового става на

диаметр закрепляемого массива 61

3.6. Влияние параметров ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород на скорос ть приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса 64

3.7. Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке и проверка

адекватности обобщенной зависимости 106

4. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ, РЕАЛИЗУЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЮ ГСЦ СО СПУТНЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА 111

4.1. Разработка ГСЦ инструмента со спутным потоком воздуха 111

4.2. Методика расчета параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха

для закрепления неустойчивых горных пород 112

4.3. Перспективы применения технологии ГСЦ

со спутным потоком воздуха горных пород 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119

ЛИТЕРАТУРА 121

ПРИЛОЖЕНИЯ 137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные тенденции роста объёмов подземного строительства, повышение требований к работам с точки зрения безопасности при устройстве тоннелей, кабельных коллекторов, а также прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин при наличии на поверхности зданий, создает необходимость в создании новых технических средств. При ведении работ в неустойчивых горных породах возникает потребность в придании массивам новых физико-механических свойств. Вариантом решения данной задачи является гидроструйная цементация со спут-ным потоком воздуха. Смысл ее заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, которая во взаимодействии со спутным воздушным потоком, направляется на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. Отсутствие научно обоснованных методов выбора рациональных режимов работы оборудования для закрепления наибольшего диаметра при наименьших энергетических затратах делает актуальным работу.

Необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния различных параметров процесса на эффективность работы установок, реализующих ГСЦ со спутным потоком воздуха в неустойчивых горных породах, что в свою очередь определяет актуальность работы.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации».

Целью работы является установление закономерностей изменения параметров и режимов работы установки гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающих повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород.

Идея работы заключается в повышении эффективности закрепления неустойчивых горных пород за счет гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха при рациональных энергетических параметрах процесса. Основные научные положения, выносимые на защиту: установлено, что применение гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха обеспечивает увеличение диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива неустойчивых горных пород;

выявлено, что диаметр и скорость приращения объема закрепляемого массива зависят от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;

определена область значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающая минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлено, что при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха рациональная скорость перемещения бурового става с увеличением диаметра отверстия струеформирующей насадки водоцементной струи от 0,002 м до 0,003 м возрастает в среднем в 1,7 раза и лежит в диапазоне от 0,0029 м/с до 0,014 м/с, а при росте частоты вращения от 0,17 с"1 до 0,33 с"1 падает в 1,4 раза;

выявлено, что рациональная область изменения скорости перемещения бурового става лежит в диапазоне от 0,5 м/с до 0,7 м/с;

получена эмпирическая зависимость изменения рациональной скорости перемещения бурового става от частоты его вращения и диаметра струеформирующих насадок, отличающаяся учетом спутного потока воздуха гид-

роструйной цементации неустойчивых горных пород, при минимизации энергетических затрат;

установлена обобщенная эмпирическая зависимость, позволяющая определять диаметр закрепляемого массива при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха с учетом давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также сцепления горных пород.

Метод исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области закрепления неустойчивых горных пород способом гидроструйной цементации; экспериментальные исследования закрепления массива гидроструйной цементацией со спутным потоком воздуха в условиях лаборатории ТулГУ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: объемом проведенных экспериментов, корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Квар= 24,8%).

Научное значение работы заключается:

в установлении закономерностей изменения диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;

в установлении зависимостей, позволяющих изменять диаметр закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бу-

рового става, а также сцепления горных пород, и определении области значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающим минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, которая определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.

Практическое значение работы заключается:

в разработке экспериментального стенда и методики проведения исследований процесса закрепления неустойчивых горных пород на основе гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха;

в разработке методики обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха.

Реализация работы. Основные научные результаты и практические рекомендации приняты Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» при проектировании высоконапорного оборудования. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам: «Дорожные машины и производственная база строительства», «Горные машины». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Анализ способов закрепления неустойчивых горных пород

Известно, что проходческие работы затруднены в неустойчивых горных породах. Традиционной технологией ведения работ предусматривается отвод воды от забоя по дренажным канавам или откачка с помощью насосов. Для обеспечения беспрепятственного отвода воды в таких условиях проходку стремятся вести на подъем. Однако бывают случаи, когда большие притоки воды, особенно напорной, затрудняют и замедляют разработку горной породы. При прохождении стволов, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено возникают немалые проблемы.

При насыщении водой илистых, песчаных, песчано-глинистых горных пород забой становится неустойчивым, происходит вынос водоносной горной породы из-под крепления забоя в выработку [11].

Для прохождения участков со сложными гидрогеологическими условиями нужно создать условия, при которых проходку выработки можно было бы вести обычными способами: щитовым, комбайновым, сплошного забоя, и др. Применяются специальные способы закрепления неустойчивых горных пород. К их числу относятся искусственное замораживание горных пород, водопонижение, закрепление горных пород связывающими растворами, химическое закрепление горных пород, электрохимическое закрепление горных пород.

Суть искусственного замораживания горных пород заключена в замораживании воды, которая находится внутри горных пород с помощью специальных устройств замораживающих колонок. В результате замораживания получается ледопородный массив, обладающий хорошей механической прочностью и водонепроницаемостью. Область применения искусственного замораживания достаточно обширна, в частности при проходке выработок, возведении обделки тоннелей, проведении работ по гидроизоляции объектов подземного строительства. Замораживание неустойчивых горных пород име-

ет несколько разновидностей: рассольный способ, активное замораживание, буровзрывной способ, способ низкотемпературного замораживания. Данная технология является универсальным средством стабилизации слабых пород, но наряду с этим имеет недостатки: пучение обводненных горных пород вследствие увеличения их объема и осадка при оттаивании может приводить к деформациям поверхностных сооружений, под которыми ведутся работы по замораживанию, особенно если они выполняются на небольшой глубине, а так же сложные подготовительные работы, длительный процесс замораживания, что как результат высокая стоимость применения [11].

Существует способ водопонижения, при использовании данного способа происходит осушение горных пород в забое, или снятии напора в водоносных горных породах путем откачки воды из них через специально устраиваемые для этих целей водопонижающие скважины, в которых устанавливают водооткачивающие средства. Эффективность способа зависит от того, насколько быстро порода может отдавать воду. Недостатками способа являются: ограниченная область применения по горно-технологическим условиям, сложность прогнозирования физико-механических свойств осушаемого массива, изменение этих свойств в широком диапазоне внутри одного массива горных пород [13].

Закрепление горных пород связывающими растворами состоит в нагнетании специальных растворов, которые, проникая в поры слабых горных пород, придавая прочность и водонепроницаемость. Для закрепления используют различные способы: цементацию (нагнетание цементного раствора), глинизацию (нагнетание тампонажного глинистого раствора с различными добавками) и т.д. [11].

Химическое закрепление неустойчивых горных пород происходит несколькими способами: силикатизации (двухрастворная - последовательное нагнетание раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, однорастворная - нагнетание гелеобразующей смеси, приготовленной непосредственно перед нагнетанием, путем смешивания раствора жидкого стекла

и кислотных отвердителей) и смолизации — нагнетание растворов смол с отвердителями, битумизация и термическое закрепление [29].

Электрохимическое закрепление заключается в обработке массива постоянным электрическим током, под влиянием которого в породах протекают сложные физико-химические процессы; в итоге горные породы обезвоживаются и приобретают значительную механическую прочность.

При обработке слабых водонасыщенных глинистых пород электротоком в них вместо коагуляционно-тиксотропных непрочных структурных связей образуются прочные водостойкие конденсационно-кристализационные необратимые структурные связи, что и придает обработанным породам значительную механическую прочность. Недостатками электрохимического способа является его высокая стоимость, ограниченность области применения, а также возможность получения массива с высокой степенью неоднородности свойств [11,12].

Специальным способом ведения работ в слабых горных породах является кессонный способ. Суть его в том, что в огражденной рабочей зоне, где происходят проходческие работы, нагнетают сжатый воздух, который вытесняет воду из массива горной породы, что дает возможность вести работу практически сухом забое, либо создается за счет этого давления временная крепь. К тому же давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного вытеснения воды должно быть равно или несколько меньше гидростатического напора воды. При проведении работ, связанных с этим способом, обязательно использование устройств обеспечивающих безопасность: аварийный шлюз, предохранительные (аварийные) перемычки, предохранительный экран, аварийный помост. Так как с повышенным содержанием кислорода в воздухе рабочей зоны возможно активное возгорание предметов, находящихся в тоннеле. Другим специальным способом ведения работ в неустойчивых горных породах является термическое упрочнение [11].

Суть термического упрочнения заключается в подаче в массив горных пород раскаленного воздуха или газа в течение нескольких суток. Отдельные

минералы оплавляются, образуется прочная структура. При этом теряется часть химически связанной воды, уменьшается или ликвидируется просадоч-ность. Температура массива обычно не превышает 800 °С. В результате обжига вокруг скважины образуется конусообразный столб диаметром по верху до 2 м, а внизу - 0,7...0,8 м. Возможна и другая технология обжига, когда горелка погружается в пробуренную скважину и