автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Использование структурированных растворов на углеводородной основе при разрушении горных пород электроимпульсным способом

РГБ ОД

На правах рукописи

АБРАМОВ ИГОРЬ ЛЕОНИДОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ

Специальность: 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1996

Работа выполнена в Институте угля СО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

Коваленко Н. Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Байченко А. А.

доктор технических наук, профессор Горбунов В. Ф.

Ведущее предприятие:

АООТ «КузНИИшахтострой»

Защита диссертации состоится 13 декабря 1996 г. в 900 часов на заседании специализированного совета по присуждению ученых степеней Д 003.57.01 при Институте угля СО РАН по адресу. 650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института угля СО РАН.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21, Институт угля СО РАН.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вертикальные стволы относятся к наиболее сложным, дорогостоящим и ответственным объектам шахтного строительства. На их долю приходится 20 - 25 % стоимости и 30 - 60 % общей продолжительности строительства комплекса горных выработок шахты. Ежегодная потребность в вертикальных стволах для Российской Федерации составляет 10...15 километров. Вместе с тем, производительность труда на сооружении стволов уже длительное время не растет. Одной из причин этого являются низкие темпы научно-технического прогресса на горнопроходческих работах, а также осложнение горно-геологических условий, связанное с общим углублением рабочих горизонтов.

Основным способом проходки шахтных стволов остается буровзрывной. Анализ динамики изменения технико-экономических показателей проходки шахтных стволов в угольной промышленности свидетельствует, что существенного улучшения их средних показателей за последние 25 лет не наблюдается: 1968 г. - средняя скорость проходки 49,6 м/мес., производительность труда проходчиков 1,55 м3/чел. - смену, 1988 г. - соответственно - 51,1 м/мес. и 2,08 м3/чел. - смену.

Для решения проблемы повышения темпов и эффективности проходки шахтных стволов и скважин большого диаметра необходимо создание и внедрение принципиально новой техники и технологии, обеспечивающих многократное повышение производительности труда и снижение себестоимости работ. Такое может быть достигнуто на новых физических принципах. К их числу следует, прежде всего, отнести электроимпульсный способ разрушения горных пород, в основе которого лежит явление аномального пробоя на границе твердого и жидкого диэлектриков.

Важную роль при создании промышленной технологии электроимпульсной проходки занимает структурированная диэлектрическая промывочная жидкость, применяемая для удаления продуктов разрушения горной породы, препятствующая завершению импульсного разряда по поверхности горной породы и обеспечивающая, при соответствующих параметрах импульса, внедрение разряда в породу. Тиксотропные свойства

промывочной жидкости обеспечивают регулирование ее параметров: плотности, структурной вязкости, предельного динамического напряжения сдвига, обеспечивают низкую фильтрацию и высокую стабильность.

Таким образом, исследование и разработка структурированных промывочных растворов для принципиально нового способа разрушения горных пород является актуальной научной и практической задачей, решение которой позволит существенно повысить его эффективность.

Данная работа выполнена автором по программе "Машиностроение и технология" АН СССР на 1989-2000 гг., "Сибирь", подпрограмма "Уголь Кузбасса", задание 1.03.04.01 СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№№ г.р. 01880087203, 01890089258), плану НИР Института угля СО РАН на 1989-1992 гг.

Целью работы является повышение эффективности электроимпульсного способа разрушения горных пород на основе совершенствования структурно-механических свойств диэлектрических промывочных жидкостей.

Основная идея работы состоит в использовании экспериментально определенных реологических свойств и закономерностей течения для контроля и регулирования технологических параметров промывочной жидкости при электроимпульсной проходке.

Задачи исследований:

-определить закономерности течения структурированных растворов на углеводородной основе, используемых при разрушении горных пород электроимпульсным способом для эвакуации отбитой породы и в качестве жидкого диэлектрика;

-оценить тиксотропные свойства промывочной жидкости на углеводородной основе применительно к электроимпульсной технологии проходки шахтных стволов;

-определить критерии оценки качества и выбора функциональных свойств структурированных промывочных жидкостей для электроимпульсной проходки;

-исследовать влияние концентрации твердой фазы на реологические свойства промывочной жидкости;

-исследовать влияние температуры среды на структурно-механические свойства раствора на углеводородной основе.

Методы исследований:

-анализ и обобщение результатов научных исследований, лабораторных и полевых испытаний;

-экспериментальное определение количественных закономерностей течения структурированных жидкостей;

-обработка на ЭВМ экспериментальных данных для определения погрешности измерений и оценки качества полученных результатов;

-полигонные наблюдения подготовки и применения раствора на углеводородной основе при ЭИ проходке шахтного ствола.

Научные положения, защищаемые автором:

-технологические свойства структурированных растворов на углеводородной основе удовлетворяют требованиям электроимпульсной технологии проходки шахтных стволов;

-оценка структурно-механических параметров диэлектрического раствора на углеводородной основе с помощью экспериментально определенных критериев обеспечивает эффективное внедрение канала разряда в горную породу;

-установленные зависимости реологических свойств промывочной жидкости от концентрации твердой фазы позволяют регулировать плотность, предельное динамическое напряжение сдвига, структурную вязкость для обеспечения эффективного процесса ЭИ проходки;

-полученные количественные зависимости влияния температуры среды на тиксотропные свойства раствора необходимо учитывать при отработке рецептуры структурированных растворов на углеводородной основе для ЭИ проходки в конкретных условиях.

Научная новизна работы состоит:

-в определении количественных зависимостей структурно- механических параметров раствора на углеводородной основе для ЭИ проходки, основанных на измеренных характеристиках реальных жидкостей;

-в установлении режимов аномального течения структурированного раствора, позволяющих получить закономерности деформации структуры раствора;

-в установлении зависимостей влияния концентрации твердой фазы на реологические свойства промывочной жидкости, позволяющих регулировать технологические свойства раствора;

-в установлении влияния температуры среды на структурно-механические свойства промывочной жидкости, что дает возможность отрабатывать рецептуры раствора для конкретных условий ЭИ проходки;

-в разработке критериев оценки структурно-механических свойств раствора на углеводородной основе, обеспечивающих эффективное внедрение канала разряда в горную породу. Личный вклад автора состоит:

- в разработке критериев оценки качества и выбора функциональных свойств структурированных растворов на углеводородной основе для проходки вертикальных горных выработок электроимпульсным способом;

-в исследовании структурно-механических свойств растворов на углеводородной основе и определении их влияния на технологический процесс ЭИ проходки;

-в исследовании процессов разрушения структурных связей и струк-турообразования раствора на углеводородной основе;

-в установлении количественных зависимостей изменения предельного динамического напряжения сдвига и структурной вязкости от концентрации твердой фазы в растворе на углеводородной основе;

-в установлении влияния температуры среды на изменение структурной вязкости и предельного динамического напряжения сдвига раствора на углеводородной основе.

достоверность научных положений обеспечивается: -применением стандартной методики определения вязкости неньютоновских жидкостей на вискозиметрическом оборудовании с научно обоснованным принципом измерения;

-экспериментальными исследованиями, проведенными в широком диапазоном измерения сдвигающих напряжений (3...600 Па), скоростей сдвига (0,5...437 с-1) и динамической вязкости (7... 1200000 мПа с);

-объективностью обработки экспериментальных данных и применением стандартных методов оценки погрешности измерений;

-автоматизированной обработкой экспериментальных результатов с помощью программы расчета реализованной на ПЭВМ.

-положительными результатами, полученными при внедрении основных положений диссертации в практику при подготовке раствора для проходки шахтного ствола электроимпульсным способом.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:

-отрабатывать рецептуры растворов на углеводородной основе для ЭИ проходки , на основе оценки их структурно-механических свойств;

-регулировать структурно-механические свойства раствора путем изменения концентрации структурообразователя при приготовлении раствора- для получения заданных свойств, в процессе проходки- для поддержания требуемых функций и изменения параметров применительно к изменяющимся горно-геологическим условиям;

-учитывать влияние температурных условий ЭИ проходки на структурно-механические свойства раствора на углеводородной основе при отработке рецептуры раствора;

-учитывать аномалии вязкости структурированных растворов на углеводородной основе при расчете технологических параметров системы промывки.

Реализаиия выводов и рекомендаций работы.

По результатам диссертации и при непосредственном участии автора разработанный метод оценки и контроля качества раствора на углеводородной основе использован при приготовлении раствора на испытаниях комплекса технических средств и технологии электроимпульсной проходки скважин диметром 2,08 м, в рамках совместной работы Института угля

СО РАН (г. Кемерово) и Проектно-шахтопроходческого объединения "Спецшахтобурение" (г. Донецк) в период с 25 июня 1992 г. по 23 ноября 1992 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международной конференции «VII научная школа "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах"» (секция "Физические свойства конденсированной среды, подверженной воздействию импульсных электрических полей") (1995, г. Николаев,); на техническом совещании ПШО «Спецшахтобурение» (1992 г., г. Донецк); на научных семинарах в Куз-НИИшахтострое (1996 г., г. Кемерово), КузГТУ (1996 г., г. Кемерово), Научном семинаре Института угля СО РАН (1996 г.).

Публикации. По теме диссертации работы опубликовано лично и в соавторстве 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложена на 142 стр. машинописного текста, содержит 16 таблиц и 21 рисунок. Список используемой литературы включает 78 наименований работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Электроимпульсная (ЭИ) технология разрушения горных пород, в основе которой лежит явление пробоя горной породы в среде жидкого диэлектрика при временах приложения импульсного напряжения 10"6 с и менее, является сложной и многогранной проблемой, отдельные аспекты которой недостаточно изучены.

Решающий вклад в изучение импульсного пробоя и разрушения диэлектриков и горных пород, а также в поиск и обоснование областей и способов его применения, внесли A.A. Воробьев, Г.А. Воробьев, А.Т. Че-пиков, И.И. Каляцкий, В.Я. Ушаков, В.Ф. Панин, А.Т. Чешков,

Ю.Б. Фортес, А.П. Проскурин, Б.В. Семкин, Н.Е. Коваленко, В.Ф. Бажов и многие другие.

К настоящему времени проведена значительная работа по разработке ряда технических устройств для электроимпульсного бурения и их проверки в полевых условиях. Посредством этих устройств в условиях полигонов пройдено около 1500 м опытных скважин в диапазоне диаметров от 50 до 1200 мм и глубиной до 240 м в различных горно-геологических условиях в районах г. Томска, Восточного Казахстана, Центральной Колымы, Северо - восточного Прибайкалья с применением в качестве промывочных жидкостей воды, дизельного топлива, растворов на углеводородной основе (РУО).

Практика использования в качестве промывочной жидкости дизельного топлива выявила ряд существенных недостатков. Вследствие небольшого удельного веса дизельное топливо не создает противодавления при водопроявлениях, не позволяет бороться с обвалами стенок скважины. Отсутствие структуры в дизельном топливе не позволяет утяжелять жидкость и выносить выбуренную горную породу за счет тиксотропных свойств. Утечки дизельного топлива при бурении скважин 0 0,15 м достигали 200-300 л/ч.

Установлено, что при временах воздействия импульсного напряжения порядка Ю-7 с электрическая прочность воды приближается к прочности трансформаторного масла и дизельного топлива. Для различных горных пород значение «критической» крутизны фронта импульса находится в пределах 1000-3000 кВ/мкс, и это обстоятельство вызывает необходимость, с одной стороны, увеличивать удельное сопротивление воды путем ее обессоливания; с другой стороны - использовать специальные формирующие устройства, позволяющие получать импульсы напряжения с крутым фронтом, что усложняет технологию буровых работ и увеличивает стоимость проходки скважины.

Растворы на углеводородной основе (на базе известково-битумного раствора) наряду с хорошими электрофизическими свойствами имеют регулируемые структурно-механические свойства (CMC). Требования к величине реологических параметров РУО для нормального процесса ЭИ

разрушения противоречивы: с одной стороны для предотвращения поглощения и минимальной фильтрации необходим вязкий раствор с повышенными тиксотропными свойствами, но.с другой стороны.с целью снижения гидросопротивлений и отделения отбитой породы желательно минимизировать эти параметры.

Отмечено также, что с увеличением условной вязкости РУО Т5оо>70 с, измеренной стандартным полевым вискозиметром СПВ-5, скорость ЭИ бурения снижается, что объясняется сложностью удаления газов, образующихся при разрядах, из вязкого раствора. При концентрации высокоокисленного битума в растворе менее 15 % повышается фильтрация и ухудшаются тиксотропные свойства РУО.

При переходе к ЭИ проходке шахтных стволов объемы промывочной жидкости одновременно циркулирующей в системе промывки резко возрастают до 500 м3 и выше; увеличивается средневзвешенный размер кусков отбитой породы - 75 мм; длина пульпопровода составляет сотни метров. В этих условиях оценка вязкости РУО по СПВ-5 является недостаточной и необходимы более четкие критерии для оценки и регулирования СМС РУО.

По агрегативному состоянию и механическим свойствам РУО является связно - дисперсной системой (гель) и имеет сплошную пространственную структуру, обладающую структурно-механическими свойствами: вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью. При механическом воздействии (перемешивании) пространственная структура разрушается и гель переходит в золь. В состоянии покоя структура восстанавливается, золь переходит в гель. Процесс, связанный с созданием и разрушением пространственной структуры (тиксотропия). в значительной степени определяет технологические свойства РУО.

В отличии от ньютоновских жидкостей, имеющих линейную зависимости между напряжением сдвига и скоростью сдвига, вязкость неньютоновских структурированных жидкостей (к ним относятся буровые растворы на водной и углеводородной основе) есть величина переменная и зависит от градиента скорости сдвига. Законы течения неньютоновских

систем хорошо описываются уравнением Шведова - Бингама:

dv

где т|ст - структурная (пластическая) вязкость [Пас]; тд - предельное ди-

dv

намическое напряжение сдвига [Па], —.- градиент скорости сдвига по

an

нормали [с-1].

Для измерения реологических свойств - структурной вязкости и тиксотропии РУО использован ротационно-цилиндрический вискозиметр REOTEST 2. Температура исследуемого материала регулировалась термо-статированием.

При исследовании использовалось цилиндрическое измерительное устройство реализующее систему Searle - Couetta. Измеряемый материал помещается в узкую кольцевую щель, образующуюся между двумя коаксиальными цилиндрами. В наружный, неподвижный цилиндр, помещается измеряемый материал. Внутренний цилиндр, вращающийся с заданной скоростью вращения, соединен через измерительный вал с цилиндрической винтовой пружиной, отклонение которой является мерой для вращающего момента, действующего на внутренний цилиндр. Отклонение пружины воспроизводится потенциометром, пропорционально вращающему моменту пружины. Редуктор вискозиметра имеет 24 скорости вращения и позволяет задавать скорость сдвига в диапазоне 0,5...437,4 с-1.

Измерения CMC РУО проводились при изменении концентрации твердой фазы (СаО) - 19...24 % в температурном диапазоне 15-50°С. Плотность раствора у менялась от 1010 до 1060 кг/м3.

Обработка результатов и оценка погрешности измерения выполнены с помощью программы расчета, написанной на языке Бейсик и реализованной на ПЭВМ.

Для построения кривой течения снимается зависимость между сдвигающим напряжением и скоростью сдвига. Для этого измерения начинаются при малых значениях скоростей сдвига. Результаты измерения напряжений сдвига Т| приведены на рис. 1 и в табл. 1.

« я

к 70 в Ч ° 60 «и К

£ 50 *

I 40

ев

х 30 20 10 0

"Г

/

г

100 200 300 400 500

Скорость сдвига йч/йа, с'1

Рис. 1. Кривая течения РУО

сЗ

С

е

м и К в Ч

О.

С се

К

90 80 70 60 50 40 30 20 10

у

/

!/

/

г

100 200 300 400 500

Скорость сдвига (1у/с1п, с-1

Рис. 2. Петля гистерезиса РУО

Таблица 1

Результаты измерения СМС РУО

Режим течения Градиент скорости ¿V сдвига — , ап с-1 Среднее значение напряжений сдвига т, Па Погрешность измерения Дт, Па Динамическая вязкость Я, сПа-с

1. Неразрушенная структура 0,5 20,74 0,85 4147,7 ± 170,0

1,0 24,85 0,77 2485,0 ± 77,0

1,8 26,89 0,80 1495,5 + 44,4

2,7 28,34 0,77 964,6 ± 28,5

4,5 30,08 0,88 668,5 ± 19,6

2. Непрерывно разрушающаяся структура 9,0 31,62 0,93 351,3 ± 10,3

16,2 34,78 0,87 214,6 ± 5,3

27,0 37,57 0,77 139,2 ±2,8

48,6 42,40 0,90 87,3 ± 1,8

72,9 47,95 0,90 65,8 + 1,2

3. Разрушенная структура 121,5 54,72 0,90 45,0 ± 0,7

243,0 67,65 6,17 27,8 ± 2,5

437,4 87,13 6,18 19,9+ 1,4

Таблица 2

Закон течения РУО

Содержание структуро-образовате-ля (СаО), % Плотность у, кг/м3 Предельное динамическое напряжение сдвига тд, Па Структурная ВЯЗКОСТЬ Т1,-,., сПас Закон течения

22 1040 43,5 10,0 т=43,5+0,10 — £/п

На кривой течения можно условно выделить 3 режима течения.

Режим 1 (шведовский режим), с практически неразрушенной струк-

йч

турой, наблюдается при малых скоростях сдвига — - 0,5...4,5 с-1. При

ап

этом динамическая вязкость течения т|, рассчитываемая по формуле:

= (2)

велика - 4147,7...668,5 сПа-с, а жидкость испытывает минимальные деформации.

Режим течения 2 с непрерывно разрушающейся структурой (бинга-мовский или структурный режим), наблюдается при средних значениях градиентов скоростей сдвига (табл. 1), при этом < тд , где хд - предельное динамическое напряжение сдвига. Динамическая вязкость РУО быстро уменьшается с 351,3 до 45,0 сПа с, в следствии интенсивного разрушения структурных связей РУО.

Режим течения 3 (ламинарный). Структура раствора предельно разрушена и раствор течет в ламинарном режиме как обычная ньютоновская жидкость. Для характеристики этого режима вместо переменной динамической вязкости т| вводится структурная бингамовская вязкость ц , которая характеризует сопротивление течению бурового раствора, и предельное динамическое напряжение сдвига тд , определяющее степень отклонения раствора от ньютоновской жидкости. т|ст и тд определяются из рис. 1 графически или расчетным путем. Прямая, отсекает от оси напряжений отрезок, равный тд, ее угловой коэффициент определяет структурную вязкость т) (табл. 2).

Тиксотропия РУО является обратимым процессом, и после исчезновения возмущений жидкости ее структура постепенно восстанавливается. Характер гистерезисной петли кривой течения раствора (отсутствие остаточных напряжений), полученной для напряжений сдвига при равномерно возрастающих и уменьшающихся скоростях сдвига (рис. 2), позволяет сделать вывод о том, что при воздействии больших напряжений сдвига РУО полностью теряет свойства твердого тела и ведет себя подобно ньютоновской жидкости.

Для оценки времени восстановления структурных связей определены кривые течения РУО непосредственно после приложения напряжения сдвига и в состоянии покоя через определенные промежутки времени. Степень восстановления структурных связей оценивалась по величине предельного динамического напряжения сдвига тд, через коэффициент Ks:

Ks = {(тд| -тд|)/( тд0 -Тд,)М00 % .(3)

где тд0 - предельное динамическое напряжение сдвига раствора после длительного стояния; тД1 - непосредственно после длительного сдвига; тД| -через 3, 9, 18, 22 часа после разрушения структуры.

Наиболее интенсивно структурообразование идет в первые часы -через 3 часа структура раствора восстановилась на 48,3 %. Для полного восстановления структуры при нормальных условиях необходимо около 22 часов (рис. 3).

g*

Ж £

g а

Я «

се в;

h m

8 °

О х

га л

S

я а

О г4

к Й

QJ С

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

/

/

/

[

/

—--

0

10

15

20 25

Время, ч

Рис. 3. Время восстановления структурных связей

В технологическом цикле ЭИ проходки необходимо учитывать функцию релаксации напряжений в растворе и время,, необходимое для полного разрушения структуры РУО.

и &

Экспериментальное определение кривой времени релаксации напряжений в растворе производилось путем внезапного деформирования материала в начальный момент времени (1=0) и последующим измерением напряжений как функции времени при фиксированной деформации в течении всего опыта (рис. 4).

Ь НОО

С„ 1200 ь» сЗ

§ 1000 ч

и

к 800 х

о *

о. 600 с

са

К

400 200 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Время, мин.

Рис. 4. Релаксация напряжений в структуре раствора

Максимальное напряжение сдвига зафиксировано ттах = 126,0 Па. Одновременно с разрушением возрастает скорость восстановления структуры, так как число возможных связей увеличивается. При достижении через 15 мин. т значения 57,0 Па скорости струкгурообразования и разрушения структуры выравниваются и наступает динамическое равновесие. Состояние равновесия зависит от скорости сдвига дя/йл и смещается в сторону более интенсивной деструкции при возрастании сЬ/с1п.

В процессе ЭИ проходки РУО подвергается многократному воздействию импульсных разрядов, взаимодействует с разрушенной горной породой, пластовыми водами, испытывает влияние механических нагрузок,

температуры, давления, атмосферного воздуха, осадков. Все это приводит к ухудшению технологических свойств РУО, потере способности выполнять необходимые функции. Возникает необходимость в регулировании свойств промывочной жидкости.

Физическим методом регулирования структурно-механических свойств дисперсной системы РУО является изменение соотношения между концентрацией твердой фазы (СаО) и дисперсной среды (дизельное топливо и высокоокисленный битум).

На рис. 5 и в табл. 3 представлены результаты, полученные при измерении реологических параметров растворов с концентрации твердой фазы от 19 до 24 %.

Таблица 3

Зависимость реологических параметров РУО от содержания твердой фазы

Содержание СаО, % Условная вязкость Т500, с Плотность у, кг/м3 Закон течения

19,0 55 1010 т = 32,4 + 0,086 ^ ап

22,0 80 1040 т = 43,5 + 0,100 ^ ап

24,0 98 1060 1 = 56,2 + 0,110 ^ ап

Изменением концентрации твердой фазы регулируются плотность, предельное динамическое напряжение сдвига, структурная вязкость и др. параметры РУО.

Как сказано выше, условием эффективного внедрения канала разряда в горную породу являются значения условной вязкости раствора не превышающие 70 с. Из рис. 5 получим диапазон значений концентрации твердой фазы (Концентрация СаО < 21 % при н.у.) и реологических параметров соответствующий требованиям ЭИ проходки.

.а н

о о и м к и

о; <я

и о ч

и >>

150

125

100-

2 75

50

25 •

о 12 «

В

°Л1

л

ь

о ^

«

ш

к <я

10

й 8

2

1

3

60 Р д

50 £

еч В

Г 40 й

19 20 21 22 23 24

Концентрация СаО, %

Рис. 5. Изменение структурной вязкости (1), предельного динамического напряжения сдвига (2) и условной вязкости (3) РУО от концентрации твердой фазы

л

I

О

о

ЗОЙ 5

§ Й

И С1«

& в

_„ С. СЧ

20 е =

10

12 10 8 6 4

г-

ч

1\ Чч , 1

\ 2

Г 60

50 40

10 20 30 40 50 60 Температура, °С

о

0

3

1

о

о.

с

10

9

Рис. 6. Изменение структурной вязкости (1) и предельного динамического напряжения сдвига (2) РУО от температуры

Критерием оценки СМС РУО для эффективного внедрения канала разряда в горную породу являются значения:

тдк < 38 Па; лстк ^ 9,6 сПа с ,

сЫ

в уравнении течения т = тдк + т|сгк —, (4)

ап

где тдк и т|стк - критические значения предельного динамического напряжения сдвига и структурной вязкости при н.у.

Известно, что с повышением температуры структурно-механические свойства растворов на углеводородной основе понижаются. Это изменение необходимо учитывать при отработке рецептуры раствора для конкретных климатических условий ЭИ проходки.

Для определения количественных зависимостей СМС от температуры исследованы кривые течения РУО с содержанием твердой фазы 22 % в диапазоне от 15 до 50 °С. Результаты представлены в табл. 4 и на рис. 6.

Таблица 4

Зависимость реологических параметров РУО от температуры

Температура, "С Предельное динамическое напряжение сдвига, Па Структурная вязкость, сПас

15 51,0 10,7

30 34,5 9,9

40 24,3 7,4

50 13,8 4,8

На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод о том, что реологические свойства раствора в значительной степени определяются температурными условиями в которых происходит ЭИ разрушение.

Установлено, что увеличение температуры раствора на углеводородной основе на 1°С определяет уменьшение динамического напряжения

сдвига, в среднем на 1 Па (для диапазона 15-50°С с 51 до 13,8 Па). Структурная вязкость РУО в указанном диапазоне температур уменьшается в 2,2 раза. При изменении температуры раствор сохранял свои тиксотропные свойства.

Приведенные исследования структурно-механических свойств промывочной жидкости проведены в рамках подготовки эксперимента по электроимпульсной проходке вентиляционного шахтного ствола диаметром 2,08 м комплексом ЭИ 2.08 (рис. 7). Основные технико-экономические показатели комплекса представлены в табл. 7. Эксперимент проведен совместного Институтом угля СО РАН, г. Кемерово и про-ектно-шахтопроходческим объединением "Спецшахтобурение", г. Донецк, на поле шахты «Объединенная» ПО «Торезантрацит» в период с 25 июня 1992 г. по 23 ноября 1992 г..

При испытаниях комплекса использован диэлектрический раствор на углеводородной основе. Компонентный состав РУО представлен на рис. 8.

Электрофизические свойства РУО: удельное электросопротивление -8,6 109 Омсм, диэлектрическая проницаемость - 3,01, пробивная напряженность электрического поля при фронте импульса 0,22 мкс -145,8 кВ/см.

Структурно-механические свойства РУО: структурная вязкость -8,9 сПа с; предельное динамическое напряжение сдвига - 34,0 Па.

Плотность - 1015 кг/м3. Фильтрация за 30 мин. - 0,1 см3.

Стоимость раствора, в ценах 1991 г., - 48,8 руб./т.

Раствор приготовлен на рабочей площадке комплекса (рис. 9), методом встречных струй в режиме кавитации с использованием двух углесосов 12У10А и Н-900/90 производительностью по 900 м3/час каждый.

Способ приготовления раствора разработан в Институте угля СО РАН. Нестандартное оборудование для его приготовления разработано и изготовлено на РМЗ объединения "Спецшахтобурение".

Рис. 7. Комплекс ЭИ 2.08

Вода 4,3%

Известь 19,

НЧК 2%

Дизельное топливо 58%

Высокоокис-ленный битум 16%

Рис. 8. Компонентный состав раствора на углеводородной основе

Таблица 7

Основные технико-экономические показатели комплекса ЭИ 2.08

Параметры и показатели Значения

Способ проходки РТБ-2080 ЭИ 2.08

Диаметр выработки в проходке, м 2,08 2,08

Глубина проходки, м 350 350

Установленная мощность, кВт 2670 1178

Эквивалентный промежуток, м - 0,53

Амплитуда напряжения, кВ - 790

Энергия импульса, кДж - 60

Частота импульсов, с-1 - 2

Масса основного оборудования, т 229 406

Стоимость изделия, тыс. руб* 181 308

Обслуживание оборудования, чел. в смену 7 7

Крепость пород : -основного массива; -прослоек 3-6 8-12 8-12

Машинная скорость проходки, м/час 0,55 8,6

Средневзвешенный размер кусков породы, мм 0,8 75

Энергоемкость проходки, кВтч/м3 (с промывкой эрлифтом) 460 30

Производительность труда, м3/чел. смену: -на проходке -по готовому стволу 0,41 0,16 8,8 0,32

Проходка на комплекте долот (наконечник), м 7,75 1000

Стоимость 1 м готового ствола, руб.* 1454 716

Экономический эффект, руб.* 1859

* В ценах 1991 года

Отработана технология приготовления РУО. Для полного растворения смол и асфальтенов высокоокисленного битума температурный режим при подготовке раствора должен выдерживаться в диапазоне 60-80°С.

Общий объем подготовленного РУО составил 474 м3. Всего выполнено 15 технологических циклов. Средняя производительность комплекса подготовки раствора составила 31,1 м3 за смену.

Отклонения реологических параметров раствора от расчетных находились в пределах 10 %.

Рис. 9. Комплекс подготовки РУО

В процессе испытаний доказана эффективность работы эрлифта при промывке скважины высокоструктурированным РУО.

Технология приготовления раствора позволила получить РУО высокого качества. Стабильность раствора достаточно высока. Раствор находился в обращении в течении года и при этом признаков расслоения не наблюдалось.

22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится решение научной задачи разработки структурированных растворов на углеводородной основе, имеющей существенное значение для проблемы разрушения горных пород при электроимпульсной проходке шахтных стволов.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что аномальные процессы течения структурированного раствора на углеводородной основе характеризуют три режима течения: режим, когда не нарушена структура раствора, течение раствора на границе контакта с плоскостью приложения силы происходит с высокими значениями динамической вязкости 4147,7-668,5 сПас; режим с интенсивным разрушением структурных связей, динамическая вязкость раствора уменьшается до 45,0 сПа с; режим при полностью разрушенной структуре, течение раствора определяется линейной зависимостью между напряжением сдвига и скоростью сдвига.

2. Отсутствие остаточных деформаций в растворе после интенсивного разрушения структурных связей, следующее из характера петли гистерезиса, позволяет отнести РУО к истинно тиксотропным жидкостям. Течение таких жидкостей хорошо описывается законом Шведова-Бингама: 1=хд+г}ст(сЬ/с1п) и определяется двумя параметрами: предельным динамическим напряжением сдвига тд и структурной вязкостью ц .

3. При разработке ЭИ технологии проходки полнометражных шахтных стволов, когда объемы промывочной жидкости, циркулирующей в системе промывки достигают 500 м3 и более, необходимо учитывать тик-сотропию РУО, которая характеризуется кривой времени релаксации напряжений при разрушении структуры раствора и зависимостью степени восстановления структурных связей от времени, для определения технологических параметров системы промывки и разработки технологического цикла ЭИ проходки.

4. Критерием оценки структурно-механических свойств промывочных жидкостей при электроимпульсной проходке являются значения пре-

дельного динамического напряжения сдвига тд < 38 Па и структурной вязкости Лет - 9,6 сПа с.

5. Эффективное внедрение канала импульсного разряда в горную породу обеспечивается выбором реологических свойств раствора с учетом дифференциального критерия, что позволяет исключить образование газовой фазы в зоне разрушения.

6. Изменением концентрации твердой фазы в растворе регулируются структурно-механические свойства РУО для получения заданных значений предельного динамического напряжения сдвига и структурной вязкости при отработке рецептуры раствора, в процессе проходки и при изменении температурных условий.

7. Реологические свойства раствора в значительной степени определяются температурными условиями, в которых происходит ЭИ разрушение. Установлено, что увеличение температуры раствора на углеводородной основе на 1 град °С определяет уменьшение динамического напряжения сдвига в среднем, для диапазона 15-50 °С, на 1 Па.

8. Технология приготовления РУО, отработанная в период проведения эксперимента, позволяет получить высокоструктурированный, стабильный раствор.

9. Использование результатов исследования реологических свойств для оценки качества РУО при отработке рецептуры и подготовки раствора в период проведения эксперимента по электроимпульсной проходке вентиляционного шахтного ствола на шахте "Объединенная" ПО "Торезантрацит" позволило получить раствор с заданными структурно-механическими свойствами.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Абрамов И.Л. Кочетков В.Н. Исследование реологических свойств раствора на углеводородной основе для элекгроимпулъсного бурения скважин большого диаметра// Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Тез. докл. VII междунар. научн. школы. -Николаев, 1995. -С. 168.

2. Абрамов И.Л. Регулирование вязкости промывочного раствора на углеводородной основе по мере подвигания забоя при электроимпульсной

проходке вертикальных горных выработок // Инф. л. № 307 - 95 серия Р 52.01.21. -Кемерово: ЦНТИ, 1995. -С. 1-3.

3. Коваленко Н.Е., Абрамов И.Л., Бажов В.Ф., Скоморохов В.М., Швайка Ю.А. Авторский надзор и техническое сопровождение работ с исследованием системы промывки и гидротранспорта отбитой породы при ЭИ проходке ствола экспериментальным комплексом оборудования. Этап I. Исследование электрофизических свойств трехкомпонентной среды: горная порода - ИБР - поверхность их раздела для условий шахты "Объединенная" П/О "Торезантрацит" // Деп. рук. № per. 02.9.50004333. -М: ВНТИЦентр, 1996. -19 с.

4. Коваленко Н.Е., Абрамов И.Л. Исследование и разработка технических средств и технологии приготовления промывочных растворов со специальными физико-химическими свойствами// Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Тез. докл. VII междунар. научн. школы. -Николаев, 1995. - С. 192-193.

5. Коваленко Н.Е., Бажов В.Ф., Абрамов И.Л., Швайка Ю.А. Исследование электрофизических свойств раствора на углеводородной основе// Физика импульсных разрядов в конденсированных средах: Тез. докл. VII междунар. научн. школы. -Николаев, 1995. - С. 199.