автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка средств направленного гидроразрыва горных пород

На правах рукописи

САЖИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05 05 06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОТ1372

--------^

Новосибирск - 2007

Работа выполнена в Институте горного делл Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель - до]стор технических наук

Клишин Владимир Иванович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич

кандидат технических наук Репин Анатолий Антонович

Ведущая организация - Институт угля и углехимии СО РАН (г Кемерово)

Защита состоится «_»_■ 2007 г в ' * часов на заседании диссертационного со-

вета Д 003 019 01 в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (630091, г Новосибирск, Красный проспект, 54)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН Автореферат разослан «_,, ' . ^ . т 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Попов Н А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы Угольные пласты с труднообрушающимися кровлями составляют четвертую часть всех отрабатываемых подземным способом пластов в Кузбассе и с увеличением глубины ведения очистных работ их доля постоянно увеличивается Основные кровли таких пластов представлены преимущественно песчаниками мощностью 10 - 40 м, а в отдельных случаях более 40 м и прочностью более 80 МПа Основной проблемой при отработке угольных пластов с такими кровлями является то, что они склонны к зависанию на огромных площадях Это может привести к внезапному их обрушению и, как следствие, к материальным потерям и человеческим жертвам, связанными с ударной волной, прямыми динамическими воздействиями, взрывом метана, вытесненного из завальной части обрушающимся породным массивом кровли Примером катастрофических последствий внезапного обрушения кровли служат случаи, произошедшие в последнее время на шахтах Кузбасса и, особенно на шахте "Ульяновская". Поэтому развитие технологий принудительного разупрочнения труднообрушающихся кровель является наиболее приоритетным направлением исследований, позволяющих повысить безопасность и эффективность ведения очистных работ

Одним из наиболее перспективных способов разрушения прочных горных пород, с точки зрения безопасности, производительности, экологичности, является метод направленного гидроразрыва (ИГР) Однако известные средства нарезания инициирующих щелей (ИЩ) и устройства герметизации, являющиеся основными в технологической схеме реализации способа, не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии. Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов В связи с этим, проведение исследований по изучению направлений совершенствования технических средств для метода направленного гидроразрыва является актуальной задачей

Исследования выполнены в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН по теме 28 4 2 "Развитие научных основ освоения углеводородного сырья на месторождениях Сибири, создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий их переработки"

Цель работы - обоснование параметров и разработка технических средств для метода направленного гидроразрыва горных пород, позволяющего повысить безопасность и эффективность очистных работ в лавах с труднообрушающимися кровлями

Идея работы заключается в обосновании параметров щелеобразователя и герметизатора, обеспечивающих гарантированное развитие искусственной трещины в плоскости нарезанной инициирующей щели путем создания в горном массиве растягивающих усилий

Задачи исследований:

• провести анализ существующих методов разрушения прочных горных пород и обобщить научно - технический опыт создания средств образования инициирующих щелей на стенках шпуров и их герметизации, обосновать требования к конструкции щелеобразователя, реализация которых обеспечит гарантированное развитие ИЩ в заданном направлении

• провести стендовые и теоретические исследования по определению параметров силового воздействия уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура в зависимо-

ста от свойств материала уплотнений и их предварительного поджатая, установить рациональную траекторию движения резца и, необходимое для обеспечения баланса между усилием резания и ресурсом инструмента, усилие осевой подачи,

• разработать методику и схемы проведения НГР с использованием модернизированных конструкций герметизатора и щелеобразователя для снижения нагрузок на охранные целики и секции механизированной крепи, уменьшения шага первичной посадки кровли

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения научно - технического опыта разработки средств создания инициирующих щелей и герметизации шпуров, проведением лабораторных исследований на стенде, аналитических расчетов, реализацией шахтных экспериментов

Научные положения, защищаемые автором:

1 Механические свойства материала уплотняющих элементов герметизатора влияют на направленность гидроразрывов и степень герметизации изолируемого участка шпура, а его выбор зависит от прочности горных пород, в которых осуществляется НГР, причем в более прочных породах рекомендуется использовать материалы с большей прочностью на сжатие (например, полиуретан)

2 Параболический профиль направляющих уклонов щелеобразователя обеспечивает максимальный (по сравнению с прототипом) диаметр нарезаемой инициирующей щели, а дополнительная поверхность для отвода стружки из зоны резания позволяет, с увеличением выхода резца, уменьшить усилие резания, повысить производительность и долговечность режущего органа

3 Использование усовершенствованных конструкций щелеобразователя и герметизатора в технологии НГР обеспечивает развитие инициирующей щели в заданном направлении за счет перераспределения нагрузок на массив в загерметизированной зоне шпура

Достоверность научных положений обеспечивается достаточным объемом результатов стендовых испытаний уплотняющих элементов, применением современной аппаратуры и методов обработки данных экспериментов, сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований в шахтных условиях

Научная новизна:

- исследовано силовое влияние уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура и обоснован выбор материала уплотнений в зависимости от прочности горных пород

- обоснована траектория движения режущих органов щелеобразователя, позволяющая увеличить диаметр инициирующей щели,

- установлена зависимость изменения усилия резания, действующего на режущие органы щелеобразователя, от осевого усилия подачи,

- установлено, что на пологопадающих пластах (более 15°) глубина заложения шпуров НГР, обеспечивающая подбучивание обрушаемых пород кровли, зависит от угла падения пласта

Практическая значимость работы. Разработан стенд для испытания уплотнений герметизирующего устройства, обоснована конструкция уравновешенного герметизатора для шпуров диаметром 45 мм и щелеобразователя, обеспечивающая увеличенный диаметр нарезаемой инициирующей щели, определены и использованы технологические схемы НГР на шахтах с труднообрушающимися кровлями, опасных по внезапному выбросу газа и пыли

Реализация работы. Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по применению метода НГР на угольных шахтах "Березовская" и "Первомайская" (ОАО УК "Кузбассуголь")

Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении испытательного стенда и проведения на нем исследований, а также математической модели для проведения аналитических расчетов взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура, и рациональной траектории движения режущих органов щеле-образователя. Автор также принимал активное участие в проведении шахтных экспериментов

Апробации работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Международной конференции "Динамика и прочность горных машин" (Новосибирск, 2003 г), Международной конференции "Неделя горняка - 2004" (Москва, 2004 г), на технических советах в ОАО УК "Кузбассуголь", шахтах "Первомайская" и "Березовская"

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе получено 3 патента РФ на изобретения

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы, 71 рисунок и список литературы из 89 наименований

Автор выражает благодарность научному руководителю, Заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук В.И Клишину Особую благодарность и глубокую признательность автор выражает кандидату технических наук Ю М Леконцеву за помощь, поддержку и внимание на всех этапах работы

В первой главе рассмотрены существующие способы разрушения прочных горных пород и средства их реализации (буровзрывные, механические, гидравлические и др ), выделены их достоинства и недостатки Обоснован вывод о целесообразности развития метода направленного гидроразрыва Суть метода заключается в следующем (рис 1) на стенках шпура 1 нарезается инициирующая щель 2, являющаяся концентратором напряжений, которая герметизируется специальным устройством (герметизатором 3) и, при нагнетании рабочей жидкости под высоким давлением в загерметизированное пространство, развивается в массиве, в плоскости ее заложения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Рисунок 1 - Схема проведения НГР 1 - шпур, 2 - инициирующая щель, 3 - герметизирующее устройство (пахер), 4 - высоконапорный трубопровод, 5 - распределительный узел, 6 -высоконапорные гибкие трубопроводы, 7 -насосная установка, 8 - приборы контроля

Анализ известных средств нарезания инициирующих щелей (ИЩ) и устройства герметизации, являющихся основными в технологической схеме реализации способа НГР показал, что они не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов Поэтому для успешного развития этого метода необходимо повысить эффективность технических средств его осуществления, а именно

- увеличить диаметр нарезаемой инициирующей щели,

- повысить степень герметизации шпура при проведении гидроразрывов

Вторая глава посвящена исследованию взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура для определения степени их влияния на направление развития трещин, области применения, в зависимости от прочности горных пород, уплотнений, выполненных из различных материалов, а также разработке усовершенствованной конструкции герметизатора Экспериментальные исследования выполнены с использованием стенда, схема которого представлена на рис 2

Стенд состоит из корпуса 1, с жестко закрепленным основанием 2, и герметично установленной в нем оси 3, на которой расположены втулки 4, и испытуемое уплотнение 5 Пространство, ограниченное втулкой 4' и внутренней поверхностью корпуса 1, является рабочей камерой 6 Втулки 4, 4' посажены на ось 3 свободно и не препятствуют поступлению рабочей жидкости через канал 7 в рабочую камеру 6 Предварительное осевое нагру-жение уплотняющих элементов осуществляется силовым устройством, которое состоит из тарельчатых пружин 8, установленных на оси 3 и гайки 9

Система измерения осевых деформаций испытуемого уплотнения включает две пластины 10 и 10', на одной из которых закреплен индикатор перемещений 11, а на второй -регулировочный болт 12 с контргайкой 13, взаимодействующий с индикатором перемещений 11 Для измерения радиальных деформаций корпуса 1, используется регистрирующая аппаратура 15 (ПИП 3-1-М) с тензодатчиками 14 (ТЛ-100)

Рабочую жидкость подают в корпус 1 насосом 16 через рукав высокого давления 17 и канал 7, выполненный в оси 3. Величину давления рабочей жидкости в рабочей камере 6 стенда контролируют с помощью визуального манометра 18 или самопишущего манометра (на рис 2 не показан)

При проведении экспериментальных исследований на стенде, в качестве испытуемого уплотнения были использованы образцы цилиндрической формы размерами а - внутренний диаметр уплотнения (27,5 мм), Ь - внешний диаметр уплотнения (45 мм), с - длина уплотнения (48 мм), изготовленные из полиуретана марки - СКУ ПФЛ - 100 (условная прочность при растяжении - 31 МПа, относительное удлинение при разрыве - 350 %, твердость - 90 А (по Шору)) и резины (условная прочность при растяжении - 12,7 МПа, относительное удлинение при разрыве - 300 %, твердость - 40 - 50 А (по Шору)) Выбор материалов для изготовления уплотняющих элементов обусловлен их широким применением в горнодобывающих машинах и механизмах В то же время они значительно отличаются между собой по механическим свойствам, что позволило предварительно оценить степень (получить более полную "картину") влияния свойств материала уплотнений на взаимодействие их со стенками шпура

На рис 3 приведены результаты измерений максимального давления, превышение которого приводит к разгерметизации рабочей камеры стенда (в дальнейшем "уплотняемого давления") и деформации корпуса стенда в зависимости от предварительного осевого сжатия уплотняющих элементов, выполненных из различных материалов

б 25

20

1 19

К 10

а.

5

0

8 10 12 Рподж, кН

л

/

" 2

—Ш

4 8 14 18

ГпОДЖ, кН

Рисунок 3 - результаты лабораторных исследований а - зависимость изменения "уплотняемого давления" от предварительного поджатая при использовании полиуретанового уплотнения, б -резинового, в - деформация корпуса стенда (1 - при использовании полиуретанового уплотнения, 2 - резинового)

Стендовые исследования показали, что материал уплотнения значительно влияет на степень герметизации шпура, и как следствие, повышает усилия на его стенки Для обос-

новация применения уплотняющих элементов герметизатора, выполненных из различных материалов, на основании полученных результатов, с использованием уравнений сопротивления материалов, определены усилия, действующие на корпус стенда со стороны уплотняющих элементов В качестве математической модели принято однородное тело цилиндрической формы, нагруженное внутренним давлением (см рис 4) При этом внутреннее давление является осесимметричной нагрузкой и вдоль оси цилиндра не меняется

Рисунок 4 - Математическая модель для расчета усилий, действующих на стенки шпура

Длина окружности до нагружения цилиндра равна 2жг После нагружения радиус увеличится на и, и длина окружности будет 2л(г+и) Относительное окружное удлинение равно

2л{г + и)-2лг 2т-

(1)

и г

(2)

Зная величину и, определяем значения деформации е, Решение данной задачи заключается в разрешении системы двух простых уравнений

е.Е

2 Ьг

^¿>2 ~аг

(3)

где Е - модуль Юнга (для Стали 45 (улучшенная), из которой изготовлен корпус стенда 2 10" Па), ц - коэффициент Пуассона (0,3), а, Ь - соответственно внутренний и внешний радиусы рабочей камеры стенда в месте, где установлен уплотняющий элемент (23,7 10"3 м, 27 10"3 м)

На рис. 5 представлены теоретические зависимости изменения усилия, действующего на стенки корпуса стенда со стороны исследуемого уплотнения от величины "уплотняемого давления".

30 26

щ 20

и-' 1S 10

. - /

0 -I 0 s

10 15 20 25 30 Ppaar, МП«

Рисунок 5 - Зависимость усилия, передаваемого на стенки корпуса стенда уплотняющим элементом от величины "уплотняемого давления" (! - для резины, 2 - для полиуретана)

Исследования процесса взаимодействия уплотняющих элементов герметизатора и пенок шпура показало, что в прочных горных породах (более 80 МШ) для надежной герметизации щпура и повышения вероятности развития трещины в заданном направлении следует применять уплотнения, выполненные из материалов с прочностью до 50 МПа.

Из результатов проведенных расчетов видно, что усилия, действующие на шпур or уплотняющих элементов, сильно различаются в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Поэтому были проведены расчеты по определение деформации корпуса стенда при использовании полиуретановых и резиновых уплотнений. Вычисления производились на основании метода конечных элементов и прикладного пакета программ COSMOS/M (Результаты вычислений представлены на рис. 6). При решении данной задачи, в качестве нагрузок использовались значения "уплотняемого давления", полученные экспериментальным способом (рис. 3 а, б). Сравнение результатов (деформации корпуса стенда), полученных теоретическим и экспериментальным методом (рис. 6 и Э в) для резиновых и полиуретановых уплотняющих элементов, показало их высокую сходимость (в пределах 10%). Это позволяет утверждать, что расчеты, с использованием этого метода позволяют, в зависимости от прочности горных пород, на этапе технического задания, определять силовое воздействие на шнур со стороны уплотнений, выполненных из широкого ассортимента материалов.

Рисунок 6 - Результаты расчета деформации корпуса стенда: а - при использовании полиуретано-вого уплотнения; 6 - резинового. 1 - место установки уплотнения, 2 - рабочая камера стенда

D.M

2.74Е-005 *Ю,32Е-ООб 3,52Е-006

Рисунок 7 - Усовершенствованный герметизатор: а - конструктивная схема герметизатора; 6 -внешний вид герметизатора с истечением рабочей жидкости. 1 - корпус, 2 - канал, 3 - место для подсоединения к магистрали, 4 - уплотняющие элементы, 5 - поршень, 6 - цилиндр, 7 - радиальное отверстие, 8 - стопорящая гайка, 9 - рабочая камера, 10 - уплотнитсльные кольца

Определив усилия, действующие на шпур от уплотняющих элементов, и зная расстояние между уплотняющими элементами герметизатора, была разработана расчетная схема, представленная на рис. 8, для расчега рационального диаметра ШЦ.

Помимо усилий от уплотнений разрушению массива вдоль шпура способствуют усилия от рабочей жидкости, действующие на участки стенки шпура между уплотняющими элементами. Поэтому при разработке новой конструкции герметизатора было необходимо уменьшить расстояние между ними. Исходя из этого, было разработано и изготовлено устройство для герметизации инициирующей щели, внешний вид и схема которого представлены на рис. 7. По сравнению с существующими конструкциями пакеров данное устройство обладает значительными преимуществами: одним каналом для подвода рабочей жидкости, а главное, уменьшенным расстоянием между уплотняющими элементами (при конструировании устройства это расстояние было уменьшено до 10 мм).

Рисунок 8 - Расчетная схема

Усилия, действующие на шпур и способствующие развитию трещины вдоль шпура равны:

Кш-2Ру+Яяеш, (4)

где Гхмн - усилия со стороны жидкости, способствующие развитию трещины вдоль шпура.

Усилия, действующие на шпур и способствующие развитию трещины в плоскости заложения инициирующей щели равны:

ЩШ

г = г гищ жищ»

где Ржищ - усилия со стороны жидкости, способствующие развитию трещины вдоль шпура Расчеты показывают, что при нарезании инициирующей щели щелеобразователем ЩМ - 45, усилия, определяющие разрушение в направлении, перпендикулярном плоскости инициирующей щели (7\,ш=150 кН) составляют 75 % от усилий необходимых для ее развития в нарезанной плоскости (Гащ=200 кН) Поэтому для повышения вероятности развития щели в плоскости ее нарезания необходимо уменьшить это соотношение до 50 % Расчет показывает, что для выполнения этого условия диаметр ШЦ должен быть не менее 130 мм

В третьей главе рассмотрены вопросы создания щелеобразователя для нарезания инициирующей щели диаметром 130 мм из шпуров диаметром 45 мм

При разработке щелеобразователя учитывались следующие требования- повысить надежность щелеобразователя путем обеспечения дополнительной поверхности для отвода стружки из зоны резания,

- обеспечить обильную промывку рабочей зоны,

- угол трения между направляющим уклоном и режущим органом не должен превышать 20°

Анализ работы щелеобразователя ЩМ - 45 показал, что траектория движения режущих органов нерациональна, так как не используется примерно 20 % ее длины (в) Кроме того, при такой траектории движения режущих органов (рис 9 а) и их геометрии, с увеличением глубины инициирующей щели растет поверхность резца, участвующая в процес-

Рисунок 9 - Траектория движения режущего органа щелеобразователя ЩМ - 45 (а) и зависимость величины выхода резца Я от длины хода Ь (б)

щели Следовательно, повысить эффективность (рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента) инструмента можно либо увеличением длины направляющих уклонов, либо изменением траектории движения резцов щелеобразователя Графический анализ показал, что увеличение длины хода резцов путем уменьшения угла наклона уклона не дает эффекта и не позволяет увеличить диаметр нарезаемой инициирующей щели при сохранении исходного диаметра шпура, так как для увеличения диаметра инициирующей щели до значения 130 мм, необходимо увеличить длину хода режущих органов примерно до 40 мм Для рассматриваемой конструкции щелеобразователя

(ЩМ - 45), это конструктивное изменение произвести невозможно, так как дальнейший вывод резцов из корпуса ведет не к увеличению диаметра, а к нарезанию цилиндрической поверхности с полусферическим торцом. Таким образом, исходя из предполагаемой минимальной длины направляющих уклонов, необходимо произвести изменение траектории движения режущих органов с прямолинейной на параболическую. На рис. 10 показана схема предполагаемой траектории движения режущего органа (а) и зависимость величины выхода резца от длины хода (б).

а б

45 40

35

зо

Р

£20

15 10 5

о

0 5 10 15 20 25 30 35 Цим

Рисунок 10 - Схема параболической траектории движения режущего органа щелеобра_човатсля ЩМ - 45М (а) н зависимость величины выхода резца Я от длины хода Ь (б)

С использованием ограничений, накладываемых на траекторию движения режущего органа (угол трения между направляющим уклоном и скользящим по нему режущим органом а < 20°) и уравнения касаггельной, проведенной к кривой (Л - й0 = /'(¿оХ^-^)) > а также условия (при ¿=32,5 мм Л =42,5 мм), были определены неизвестные коэффициенты а, Ь, с в уравнении параболы. Уравнение траектории движения режущего органа примет вид:

Д = 0.03i +0.171 ■

(6)

На рис. 11 представлена усовершенствованная конструкция щелеобразователя и траектория движения его режущих органов по параболическим направляющим уклонам.

Рисунок 11 - Щелеобразователь ЩМ-45М: а - внешний двд б - траектория движения реа^чцего органа

Изменение профиля направляющих уклонов позволило увеличить радиус нарезаемой инициирующей щели до 65 мм Кроме того, образование дополнительной поверхности для вывода стружки из зоны резания (на рис 11 (б) обозначена желтым) позволяет повысить скорость нарезания ИЩ и долговечность инструмента

С целью нахождения рационального режима работы щелеобразователя были определены нагрузки, действующие на режущий орган при различных значениях усилия подачи по мере увеличения глубины ИЩ (рис 12) Усилие резания определялось по показаниям динамометрического устройства, через которое осуществлялось вращение инструмента Значения осевых нагрузок на инструмент выбирались исходя из характеристик бурового станка, наиболее широко распространенного на шахтах Кузбасса при бурении шпуров диаметром 45 мм (станки типа БЖ-45-100Э)

250 200

I 150 р»

й

£• юо

50

350 300 250 5 200 £■ 150 100 50 0

Косен- 1000 н

. -'

\>сев=500 Н

) " _ - ____ росев=300Н

10 15 20 РПОЕ-ОЗ, м

25

30

Росев = ЮС ОН

------ ~

Росев= 500 Н

Госев = ЗОЙН

-■ -

1

10

20

1Ч*10Е-03, м

30

40

Рисунок 12 - Усилие, действующее на режущие органы щелеобразователя а - ЩМ - 45, б - ЩМ -45М

Как видно из представленных зависимостей, траектория движения режущих органов щелеобразователя ЩМ - 45М и его конструкция обеспечивают благоприятный режим работы инструмента, так как с увеличением глубины инициирующей щели (или выхода резца Я) нагрузки на режущий орган (Ррез) уменьшаются Кроме того, при осевом усилии 0*осев= 500 Н) достигается рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента При данной конструкции щелеобразователя обеспечивается непрерывная подача промывочной жидкости в рабочую зону, что также повышает долговечность режущих

органов Увеличение радиуса, нарезаемой инициирующей щели до 65 мм, повышает вероятность ее распространения в заданной плоскости

В таблице 1 представлены основные технические характеристики двух конструкций щелеобразователей ЩМ - 45 и ЩМ - 45М

Таблица 1 Сравнительные характеристики щелеобразователей

Характеристика Тип

ЩМ-45 ЩМ-45М

1 Диаметр шпура или скважины й, мм 42-45 45-46

2 Диаметр инициирующей щели О, мм 105 130

3 Отношение Ш1 1,90-1,78 2,87-2,93

4 Количество режущих ножей, пгг 2 2

5 Частота вращения,об/мин 100-200 100 - 200

6 Максимальное усилие резания (при осевом усилии Босев = 500 Н), Н 190 200

7 Промывочная жидкость Вода (эмульсия) Вода (эмульсия)

8 Масса, кг 1,7 1,5

В четвертой главе описаны результаты шахтных испытаний Первые исследования метода ИГР, выполненные на основе разработанного оборудования были проведены на шахте "Березовская" Цель работы - уменьшение шага первичной посадки кровли при выходе механизированной крепи из монтажной камеры и снижение нагрузки на охранный целик путем разупрочнения кровли

Исходя из горно - геологических условий залегания пласта (таблица 2) была разработана схема расположения шпуров (рис 11) и определены их параметры

Таблица 2 Горно - геологические условия на шахте "Березовская"

Параметр

Мощность пласта, м 2,5-2,8

Угол падения пласта, град 12-18

Непосредственная кровля алевролит

сопротивление сжатию, МПа 40-50

мощность, м 0,5

Основная кровля песчаники

сопротивление сжатию, МПа 80

мощность, м 15

Классификация кровли труднообрушающаяся

Глубина разработки, м 200

Длина нарезанного столба, м 1200

Рисунок 13 - Схема расположения шпуров. 1, 3, 4, 6 -наклонные шпуры; 2, 5, 9, 10 - шпуры, пробуренные нормально к плоскости залегания пласта; 7, 8 - отсечные шпуры

В соответствии со схемой, представленной на рис. 13, шпуры 1 -6, выполненные из монтажной камеры, предназначены для уменьшения шага первичной посадки кровли. Шпуры 2, 5 расположены перпендикулярно к пласту. Их глубина, в зависимости от горно - геологических условий, варьировалась в пределах 8 - 12 м. Шпуры 1, 3, 4, 6, глубиной 6 - 8 м пробурены под углом 40 - 45° к направлению движения комплекса. Для снижения нагрузки на охранный целик из конвейерного штрека вышележащей лавы № 77, в сторону вентиляционного штрека отрабатываемой лавы № 79 (над охранным целиком) выполнены шнуры 7 - 10 с интервалом 25 - 30 м и глубиной 6 - 8 м под углом 45° к плоскости залегания угольного пласта.

На рис. 14 представлены наиболее характерные зависимости изменения давления рабочей жидкости во времени (I), нагнетаемой в шпуры при проведении НГР на шахте "Березовская".

ю б

о ■

/ 1 . . - - 1 1

I

/

Рисунок !4 - Изменение давления жидкости при гндроразрыве труднообрушающейся кровли на шахте "Березовская": а - монтажная камера; 6 - вентиляционный штрек; в - конвейерный штрек

Из рис. 14 видно, что после увеличения давления до 27 - 28,5 МПа (участок графика ОА) наступает его стабилизация. В последующие 30 - 50 с оно колеблется в пределах 28 - 29,5 МПа (участок АВ). Затем, при незначительном скачке давления до 29,5 - 30,5 МПа (на участке ВС) произошло сграгивание инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 10 - 15 МПа (участок СО). После незначительного увеличения давле-

зо

во

ье

им снова происходит его снижение до 7,5 - 8 МПа (участок БЕ). Дальнейшее развитие трещины происходит без существенного роста давления рабочей жидкости. Это свидетельствует о прекращении ее распространения.

В ходе проведения первых гидроразрывов выяснилось, что расчет глубины заложения шпуров по ранее используемой формуле не обеспечивает необходимого подбучивания на пластах с углом падения 15 - 18°. Исходя из этого, последующие скважины бурились на глубину, рассчитываемую по следующей, скорректированной, формуле:

(7)

где ш0 - вынимаемая мощность пласта, м; Ило - мощность легкообрушающейся кровли, м;

А™, - коэффициенты разрыхления пород соответственно легко- и труднообрушающихся пород; ч> - угол падения пласта.

Исходя из результатов экспериментальных исследований, была смоделирована предположительная схема обрушения кровли при выходе механизирован но го комплекса из монтажной камеры (рис. 15).

Рисунок 15 - Предположительная схема первичного обрушения кровли: а - до выхода крепи из монтажной камеры; 6 - после выхода. 1 - отсечные шпуры, 2 - нормальные

Из опыта отработки данного пласта без гидроразрывов, шаг первичной посадки кровли при выходе механизированных крепей из монтажных камер равнялся 35 - 40 м и обрушение сопровождалось значительными динамическими проявлениями. После проведения гидрораэрывов из монтажной камеры № 31 шаг первичной посадки сократился до 15 - 20 м. При этом обрушение произошло плавно, без значительных динамических нагрузок на крепь.

Параллельно со снижением нагрузки на секции механизированной крепи, в ходе проведения исследований, решалась задача уменьшения размеров охранного целика вышележащей лавы (шпуры 7 - 10 на рис, 51). Проведение гидроразрывов проводилось с опережением очистного забоя на 30 - 50 м для снижения вероятности попадания трещины гидроразрыва в зону трещиноватости, образующуюся при посадке основной кровли за механизированным комплексом, в прилегающей к охранному целику зоне.

На рис, 16 представлена зависимость изменения давления в шпурах во времени, наиболее характерная для данной горной выработки и горно - геологических условий рассматриваемого пласта при проведении НГР.

30

25

20

■

г

X 15

о.

10

5

0

30

во

90

120

150

180

Рисунок 16 - Изменение давления жидкости при пкдроразрыве труднообрушаюшейся кровли на шахте "Березовская" с целью перераспределения нш-рузки на охранный целик

Как видно из зависимости, представленной на рис. 16 после увеличения давления до 27 МПа {точка А) наступает его стабилизация (участок АВ). При незначительном скачке давления до 28 -28,1 МПа (участок ВС) происходит стра-шванне инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 6,5 - 6,7 МПа (участок СВ). Затем развитие трещины продолжается до достижения сю свободной поверхности.

Наблюдения подвижек кровли, по которым оценивалась величина нагрузки на охранный целик, проводилась совместно с Центром анкерного крепления Кузбасса (ЦАК). Данные измерения проводились в конвейерном штреке вышележащей лавы. На рис. 17 представлена схема заложения замерных станций и зависимости смещения кровли от расстояния до лавы. При этом последние гндроразрывы были произведены из шпуров, расположенных в конвейерном штреке № 75 между 1-ой и 3-ей замерными станциями, на расстоянии 140 м от грузового бремсберга № 36 .

Грузовой

Заиорная станция № 1 щгамнв в 220 и от

КонвейАОный штрек Ми 79 в

150 100 И 0 -50 -100 -150 Расстояние от лавы до замерно* станции

900

еоо 400 200 0

Расстояние от папы до станции №1. к

Рисунок 17 - Измерение смещений кровли: а - схема заложения замерных станций; 6 - смещение кровли при прохождении лавы относительно замерной станции №3; в - относительно станции №1

Как видно из представленных графиков, после прохождении лавы относительно замерных станций и прекращения разупрочнения кровли методом НГР величина абсолютного смещения кровли увеличилась на 50 %.

Результаты исследований свидетельствуют об уменьшении нагрузки со стороны основной кровли на охранный целик и об изменении характера обрушения ее после прохождения очистного забоя. Проведение разупрочнения кровли методом НГР позволило снизить ширину охранного целика с первоначально планируемых 20 до 5 м.

Целью исследований, проводимых на шахте "Первомайская" в лаве № 33 являлось снижение нагрузки на сохраняемую горную выработку, исследование возможности снижения концентрации напряжений в забойной части отрабатываемого столба путем гидроразрыва (разупрочнения) кровли

Бурение шпуров осуществлялось по схеме, представленной на рис. 18. С целью сохранения конвейерного штрека № 33 и использования его в качестве вентиляционного для подготовляемой лавы № 35, после прохождения комплекса, по его висячему борту пробивался органный ряд из деревянной крепи.

Горно - геологические условия на участке проведения работ представлены в таблице 3. Бурение шпуров осуществляется до установки в монтажной камере механизированной крепи, а гидроразрывы проводятся после монтажа крепи.

Таблица 3. Горно - геологические условия на шахте "Первомайская "

Параметр

Мощность пласта, м 1,9-2,25

Угол падения, град 6-22

Непосредственная кровля: сопротивление сжатию, МПа мощность, м алевролит, аргиллит 40 - 50 0.Я

Основная кровля: сопротивление сжатию, МПа МОЩНОСТЬ, Ч песчаники, известняки 100-110 17-19

Классификация кровли Весьма труднообрутпающаяся

Глубина разработки, м 240

Длина лавы,м 270

- ,г .■ ■-

' Л

Вент-КПЧцИОММЫУ! штдек

/ I ■--/■■

J5-^ Направление движения лэиы № 33

1 /1 \ I /___

v2 5mJ«2 5*у Подготавливаемая лэаа №35

Рисунок 18 - Исследования метода ШТ на пихте "Первомайская": а - схема заложения скважин; б - характерная зависимость изменения давления при проведении гидроразрывов в вентиляционном нпреке; в - в конвейерном

На рис 18 представлены характерные зависимости изменения давления во времени при проведении гидроразрывов в шпурах вентиляционного и конвейерного штреков Показано, что после увеличения давления до 27 - 27,5 МПа (точка А) наступает его стабилизация (участок АВ) В последующие 30 - 40 с оно колеблется в пределах этого значения При скачке давления до 27,5 - 29,5 МПа (участок ВС) происходит страгивание инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 9,5-10 МПа (точка Б) Затем развитие трещины продолжается до достижения ею свободной поверхности

Исследования на шахте "Первомайская" показали, что в результате реализации метода ИГР снизилось количество вывалов угля из груди забоя, а также уменьшилось давление в гидроцилиндрах секций механизированной крепи с максимальных 45 МПа до 35 МПа (то есть, примерно на 20 %) Данные наблюдения косвенно свидетельствуют о снижении горного давления в районе сохраняемой горной выработки и об уменьшении его концентрации в забойной части отрабатываемого столба

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, заключающиеся в определение параметров средств нарезания на стенках шпура инициирующих щелей и их герметизации, обеспечивающих повышение эффективности метода направленного гидроразрыва

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем

1 Анализ существующих способов разрушения прочных горных пород, показал актуальность развития метода направленного гидроразрыва для разупрочнения прочных горных пород Одним из путей усовершенствования способа является модернизация средств его реализации выбора, в зависимости от прочности горных пород, материала для уплотняющих элементов герметизатора, увеличения диаметра инициирующей щели, нарезаемой щелеобразователем

2 В ходе проведения экспериментальных и теоретических исследований установлено, что усилия, передаваемые на стенки шпура от полиуретановых уплотняющих элементов в 3 раза больше, чем от резиновых (24 и 7,5 кН соответственно) при давлении рабочей жидкости 18 МПа Эти результаты показывают, что в горном массиве прочностью менее 80 МПа, в качестве материала для уплотнений, рационально использовать резину с прочностью на сжатие 20 МПа, а в более прочных - полиуретан

3 Аналитически доказано, что отношение усилий, способствующих развитию трещины вдоль оси шпура и в плоскости инициирующей щели, при ее нарезании щелеобразователем ЩМ - 45 (диаметр ШЦ - 100 мм), равно 0,75, а для его уменьшения до 0,5 необходимо создавать инициирующую щель диаметром 130 мм

4 Проведение графического анализа совместного движения точек режущего органа показало, что для увеличения диаметра нарезаемой инициирующей щели до 130 мм необходимо создать направляющие уклоны с параболическим профилем Экспериментальные исследования режимов работы щелеобразователя ЩМ - 45М позволили установить, что предложенная траектория движения режущих органов и конструкция инструмента обеспечивают благоприятный режим работы инструмента, так как с увеличением глубины инициирующей щели нагрузки на режущий орган уменьшаются Кроме того, при осевом усилии 500 Н достигается рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента

5. Практическая значимость результатов подтверждается проведением испытаний метода ИГР на шахтах Кузбасса с использованием модернизированных конструкций ще-леобразователя и герметизатора В ходе проведения экспериментов нагрузки на охранный целик и повторно используемые горные выработки были снижены на 35 - 50 %, что позволило уменьшить ширину охранного целика с первоначально планируемых 20 до 5 м Шаг первичной посадки кровли при выходе механизированной крепи из монтажной камеры сократился в 2 раза

Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по внедрению метода направленного гидроразрыва на шахтах "Первомайская" и "Березовская" На конструкцию нового герметизирующего устройства и модернизированного щелеобразователя (ЩМ - 45М), а также на стенд для испытания уплотнений получены патенты РФ на изобретения

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах

1 Клишин В.И. Создание технологий и оборудования для разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями [Текст] / В И Клишин, Ю М Леконцев, П В Сажин // Горный информационно - аналитический бюллетень - Москва Mil У -2004 -№10 - С 213-219

2 Клишин В.И. Результаты опытно - промышленного испытания оборудования на каменных блоках [Текст] / В И Клишин, Ю М Леконцев, П В Сажин // Сборник II - ой международной конференции "Динамика и прочность горных машин" Том 1 - Новосибирск ИГД СО РАН -2003 -С 67-73

3 Сажин П В Исследование влияния механических свойств уплотнений на направление развития инициирующей щели [Текст] / П В Сажин // Горный информационно - аналитический бюллетень - Москва МГГУ - 2004 - № 7 - С 254 - 257

4. Клишин В И. Экспериментальные исследования перераспределения опорного давления в лаве при принудительной посадке кровли [Текст] / В И Клишин, Ю М. Леконцев, П В Сажин // Горный информационно - аналитический бюллетень - Москва МГГУ -2006 -№ 3 -С 339-347

5. Клишин В И Средства реализации безвзрывного разрушения горных пород растягивающими усилиями [Текст] / В И. Клишин, Ю М Леконцев, П В Сажин // Тр Ме-ждун конф "Проблемы и перспективы развития горных наук." Том 2 Машиноведение Геотехнологии -Новосибирск ИГД СО РАН -2006 -С 384-389

6 Пат 2268359 Российская Федерация МПК7Е21 В 43/26 Устройство для гидроразрыва пород в шпуре [Текст] / Клишин В И, Леконцев Ю М, Сажин П В , заявл 23 06 2004, опубл 20 01 2006, Бюл №2 - 1942 с ил

7 Пат 2263776 Российская Федерация МПК7 Е 21 В 43/26, Е 21 С 37/00 Щеле-образователь [Текст] / Клишин В И, Леконцев Ю М, Сажин П В , заявл 03 06 2004, опубл 10 11 2005, Бюл №31 - 547 с ил.

8, Пат 2243520 Российская Федерация МПК7 G 01 М 3/00 Стенд для испытания уплотнений [Текст] / Клишин В И, Леконцев Ю М, Сажин П В , заявл 26 06 2003, опубл 27 12 2004, Бюл №36 - 946 с ил

Подписано к печати 19 04.2007г. Формат 60x84/16 Печ л. 1 Тираж 100 экз. Заказ №31

Институт горного дела СО РАН Красный проспект, 54,630091, Новосибирск

Введение.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД РАСТЯГИВАЮЩИМИ УСИЛИЯМИ

1.1 Классификация основных способов разрушения прочных горных пород.

1.2 Средства реализации метода ОФР.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА УПЛОТНЕНИЙ НА НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ

2.1 Стенд для проведения исследований.

2.2 Методика лабораторных исследований.

2.3 Результаты лабораторных исследований.

2.4 Определение усилий взаимодействия уплотнения со стенками корпуса стенда

2.5 Определение деформации корпуса стенда методом конечных элементов.

2.5.1 Метод конечных элементов.

2.5.2 Осессиметричная задача теории упругости.

2.6 Усовершенствованный уравновешенный герметизатор.

Выводы.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЩЕЛЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

3.1 Определение параметров щелеобразователя.

3.2 Щелеобразователь ЩМ - 45М.

Выводы.

ГЛАВА 4. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА НГР

4.1 Методика проведения шахтных экспериментов.

4.2 Результаты шахтных исследований.

4.2.1 Шахта "Березовская", лава № 79.

4.2.2 Шахта "Первомайская", лава № 33.

Выводы.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Угольные пласты с труднообрушающимися кровлями составляют четвертую часть всех отрабатываемых подземным способом пластов в Кузбассе и с увеличением глубины ведения очистных работ их доля постоянно увеличивается. Основные кровли таких пластов представлены преимущественно песчаниками мощностью 10 - 40 м, а в отдельных случаях более 40 м и прочностью более 80 МПа. Основной проблемой при отработке угольных пластов с такими кровлями является то, что они склонны к зависанию на огромных площадях. Это может привести к внезапному их обрушению и, как следствие, к материальным потерям и человеческим жертвам, связанными с ударной волной, прямыми динамическими воздействиями, взрывом метана, вытесненного из завальной части обрушающимся породным массивом кровли. Примером катастрофических последствий внезапного обрушения кровли служат случаи, произошедшие в последнее время на шахтах Кузбасса и, особенно на шахте "Ульяновская". Поэтому развитие технологий принудительного разупрочнения труднообрушающихся кровель является наиболее приоритетным направлением исследований, позволяющих повысить безопасность и эффективность ведения очистных работ.

Одним из наиболее перспективных способов разрушения прочных горных пород, с точки зрения безопасности, производительности, экологичности, является метод направленного гидроразрыва (ИГР). Однако известные средства нарезания инициирующих щелей (ШЦ) и устройства герметизации, являющиеся основными в технологической схеме реализации способа, не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии. Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении. Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов. В связи с этим, проведение исследований по изучению направлений совершенствования технических средств для метода направленного гидроразрыва является актуальной задачей.

Исследования выполнены в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН по теме 28.4.2. "Развитие научных основ освоения углеводородного сырья на месторождениях Сибири, создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий их переработки".

Цель работы - обоснование параметров и разработка технических средств для метода направленного гидроразрыва горных пород, позволяющего повысить безопасность и эффективность очистных работ в лавах с труднообрушающимися кровлями.

Идея работы заключается в обосновании параметров щелеобразователя и герметизатора, обеспечивающих гарантированное развитие искусственной трещины в плоскости нарезанной инициирующей щели путем создания в горном массиве растягивающих усилий.

Задачи исследований:

• провести анализ существующих методов разрушения прочных горных пород и обобщить научно - технический опыт создания средств образования инициирующих щелей на стенках шпуров и их герметизации; обосновать требования к конструкции щелеобразователя, реализация которых обеспечит гарантированное развитие ИЩ в заданном направлении.

• провести стендовые и теоретические исследования по определению параметров силового воздействия уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура в зависимости от свойств материала уплотнений и их предварительного поджатая, установить рациональную траекторию движения резца и, необходимое для обеспечения баланса между усилием резания и ресурсом инструмента, усилие осевой подачи;

• разработать методику и схемы проведения НГР с использованием модернизированных конструкций герметизатора и щелеобразователя для снижения нагрузок на охранные целики и секции механизированной крепи, уменьшения шага первичной посадки кровли.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения научно - технического опыта разработки средств создания инициирующих щелей и герметизации шпуров, проведением лабораторных исследований на стенде, аналитических расчетов, реализацией шахтных экспериментов.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Механические свойства материала уплотняющих элементов герметизатора влияют на направленность гидроразрывов и степень герметизации изолируемого участка шпура, а его выбор зависит от прочности горных пород, в которых осуществляется НГР, причем в более прочных породах рекомендуется использовать материалы с большей прочностью на сжатие (например, полиуретан).

2. Параболический профиль направляющих уклонов щелеобразователя обеспечивает максимальный (по сравнению с прототипом) диаметр нарезаемой инициирующей щели, а дополнительная поверхность для отвода стружки из зоны резания позволяет, с увеличением выхода резца, уменьшить усилие резания, повысить производительность и долговечность режущего органа.

3. Использование усовершенствованных конструкций щелеобразователя и герметизатора в технологии НГР обеспечивает развитие инициирующей щели в заданном направлении за счет перераспределения нагрузок на массив в загерметизированной зоне шпура.

Достоверность научных положений обеспечивается достаточным объемом результатов стендовых испытаний уплотняющих элементов, применением современной аппаратуры и методов обработки данных экспериментов, сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований в шахтных условиях.

Научная новизна:

- исследовано силовое влияние уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура и обоснован выбор материала уплотнений в зависимости от прочности горных пород;

- обоснована траектория движения режущих органов щелеобразователя, позволяющая увеличить диаметр инициирующей щели;

- установлена зависимость изменения усилия резания, действующего на режущие органы щелеобразователя, от осевого усилия подачи;

- установлено, что на пологопадающих пластах (более 15°) глубина заложения шпуров НГР, обеспечивающая подбучивание обрушаемых пород кровли, зависит от угла падения пласта.

Практическая значимость работы. Разработан стенд для испытания уплотнений герметизирующего устройства; обоснована конструкция уравновешенного герметизатора для шпуров диаметром 45 мм и щелеобразователя, обеспечивающая увеличенный диаметр нарезаемой инициирующей щели, определены и использованы технологические схемы НГР на шахтах с труднообрушающимися кровлями, опасных по внезапному выбросу газа и пыли.

Реализация работы. Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по применению метода НГР на угольных шахтах "Березовская" и "Первомайская" (ОАО УК "Кузбассуголь").

Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении испытательного стенда и проведения на нем исследований, а также математической модели для проведения аналитических расчетов взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура, и рациональной траектории движения режущих органов щелеобразователя. Автор также принимал активное участие в проведении шахтных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Международной конференции "Динамика и прочность горных машин" (Новосибирск, 2003 г.), Международной конференции "Неделя горняка - 2004" (Москва, 2004 г.), на технических советах в ОАО УК "Кузбассуголь", шахтах "Первомайская" и "Березовская".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе получено 3 патента РФ на изобретения.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы, 71 рисунок и список литературы из 89 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю, Заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук В.И. Клишину. Особую благодарность и глубокую признательность автор выражает кандидату технических наук Ю.М. Леконцеву за помощь, поддержку и внимание на всех этапах работы.

Выводы

1. Усовершенствованные конструкции щелеобразователя и герметизирующего устройства значительно повысили эффективность метода направленного гидроразрыва и позволили снизить давление страгивания инициирующей щели в 2 - 3 раза (в зависимости от прочности горных пород) по сравнению с направленными гидроразрывами, проводимыми с помощью инструментов старых конструкций.

2. Прочность горных пород влияет на характер процесса НГР. С ее увеличением уменьшается время, необходимое для страгивания инициирующей щели и увеличивается радиус распространения искусственной трещины.

3. Гидроразрывы снижают нагрузки на охранные целики, причем осадка кровли в выработке с анкерным креплением уменьшается на 50 %.

4. Шаг первичной посадки кровли при выходе из монтажной камеры механизированной крепи, после проведения гидроразрывов, сокращается с 35 - 40 до 15 -20 м.

5. Реализация метода НГР позволяет снизить давление в районе сохраняемой горной выработки и уменьшить его концентрацию в забойной части отрабатываемого столба.

Заключение

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, заключающиеся в определение параметров средств нарезания на стенках шпура инициирующих щелей и их герметизации, обеспечивающих повышение эффективности метода направленного гидроразрыва.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ существующих способов разрушения прочных горных пород, показал актуальность развития метода направленного гидроразрыва для разупрочнения прочных горных пород. Одним из путей усовершенствования способа является модернизация средств его реализации: выбора, в зависимости от прочности горных пород , материала для уплотняющих элементов герметизатора, увеличения диаметра инициирующей щели, нарезаемой щелеобразователем.

2. В ходе проведения экспериментальных и теоретических исследований установлено, что усилия, передаваемые на стенки шпура от полиуретановых уплотняющих элементов в 3 раза больше, чем от резиновых (24 и 7,5 кН соответственно) при давлении рабочей жидкости 18 МПа. Эти результаты показывают, что в горном массиве прочностью менее 80 МПа, в качестве материала для уплотнений, рационально использовать резину с прочностью на сжатие 20 МПа, а в более прочных -полиуретан.

3. Аналитически доказано, что отношение усилий, способствующих развитию трещины вдоль оси шпура и в плоскости инициирующей щели, при ее нарезании щелеобразователем ЩМ - 45 (диаметр ИЩ - 100 мм), равно 0,75, а для его уменьшения до 0,5 необходимо создавать инициирующую щель диаметром 130 мм.

4. Проведение графического анализа совместного движения точек режущего органа показало, что для увеличения диаметра нарезаемой инициирующей щели до 130 мм необходимо создать направляющие уклоны с параболическим профилем. Экспериментальные исследования режимов работы щелеобразователя ЩМ - 45М позволили установить, что предложенная траектория движения режущих органов и конструкция инструмента обеспечивают благоприятный режим работы инструмента, так как с увеличением глубины инициирующей щели нагрузки на режущий орган уменьшаются. Кроме того, при осевом усилии 500 Н достигается рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента.

5. Практическая значимость результатов подтверждается проведением испытаний метода НГР на шахтах Кузбасса с использованием модернизированных конструкций щелеобразователя и герметизатора. В ходе проведения экспериментов нагрузки на охранный целик и повторно используемые горные выработки были снижены на 35 -50 %, что позволило уменьшить ширину охранного целика с первоначально планируемых 20 до 5 м. Шаг первичной посадки кровли при выходе механизированной крепи из монтажной камеры сократился в 2 раза.

Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по внедрению метода направленного гидроразрыва на шахтах "Первомайская" и "Березовская". На конструкцию нового герметизирующего устройства и модернизированного щелеобразователя (ЩМ - 45М), а также на стенд для испытания уплотнений получены патенты РФ на изобретения.

1. Мацко А.А. Разрушение монолитных объектов скважинным клиновым устройством. Текст. / А.А. Мацко, В.Т. Михайлов // Сборник трудов "Управление горным давлением в комплексно - механизированных забоях". - Новосибирск. - 1989. -вып. № 47. - с. 54-61.

2. Клишин В.И. Создание технологий и оборудования для разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями Текст. / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин // Горный информационно аналитический бюллетень. - Москва: МГГУ. -2004. -№10. -С. 213 -219.

3. Кю Н.Г. Создание методов и средств флюидоразрыва горных пород. Текст. / Н.Г. Кю // Диссертация на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Новосибирск: ИГД СО РАН. -1999.-369 с.

4. Исаков А.Л. О направленном разрушении горных пород взрывом. Текст. / А.Л. Исаков // ФТПРПИ. 1983. - № 6. - с. 41 - 52.

5. Langefors U. The modern technique of Rock Blasting. Текст. / U. Langefors, B. Kihlstom. Wiley. -1963. -134 p.

6. Barker D.B. Fracture Control in Tonnel Blasting. Текст. / Barker D.B., Foumey W.L., Dally J.W // Transportation Research Record. 1978. - № 648. - p. 97 -103.

7. Дубынин Н.Г. Исследование влияния формы шпура на эффективность взрывания шпуровых зарядов. Текст. / Н.Г. Дубынин, Ш.Г. Володарская, Н.Б. Яновская, Б.Г. Яновский // ФТПРПИ 1974. - № 6. - с. 68 - 73.

8. Патент № 4018293 (США). Способ регулируемого образования трещин.

9. Авторское свидетельство СССР № 666271. Способ раскалывания строительных плит по заданной линии. / Лигели Г.П. и др. Опубл. в БИ №21, 1979.

10. Fourney W.L. Controlled Blasting with Ligamented Charge Holders. Текст. / W.L. Foumey, J.W. Dally, D.C. Holloway // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. -1978. v. 1. - № 3. - p. 57 - 64.

11. Авторское свидетельство СССР №1270328. Скважинное устройство для образования направленных трещин. / Г.Я. Полевщиков, О.И. Чернов, Н.Г. Кю, А.Ф. Иванов, О.В. Главатских. Опубл. в БИ № 42, 1986.

12. Мендекеев Р.А. Гидроклиновые устройства для откола блоков камня от массива. Текст. / Р.А. Мендекеев // Автореферат диссертации на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. -Фрунзе. 1990. - 19 с.

13. Патент РФ №2081314. Устройство для образования направленных трещин в скважинах. / Н.Г. Кю, О.И. Чернов, Л.Н. Шепелев. Опубл. в БИ №16, 1997.

14. Чирков А.С. Добыча и переработка строительных горных пород. Текст. / А.С. Чирков // М., МГГУ. 2001. - с. 460 - 485.

15. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка, применение. Текст. / Ж.А. Казарян // Справочник. М., "Недра". - 1998. - 238 с.

16. Карасев. Ю.Г. Технология горных работ на карьерах облицовочного камня. Текст. / Ю.Г. Карасев М., "Недра". - 1995. - 211 с.

17. Авторское свидетельство СССР № 1802115. Устройство для разрушения породы бурением и откалыванием. / В.И. Креймер, В.И. Клишин, И.Н. Агафонов. Опубл. в БИ №10,1993.

18. Авторское свидетельство № 2277970 (Франция). Гидрораскалывающие приборы "Дарда".

19. Худин Ю.Л. Разрушение горных пород комбинированными исполнительными органами. Текст. / Ю.Л. Худин, Л.Д. Маркман, Ж.П. Вареха, П.М. Цой // М., "Недра". -1978.-224 с.

20. Кичигин А.Ф. Механическое разрушение горных пород комбинированным способом. Текст. / А.Ф. Кичигин, С.Н. Игнатов, А.Г. Лазуткин, И.А Янцен // М., "Недра".-1972.-256 с.

21. Половнев Г.П. Исследование и создание породопроходческого комбайна "Карагандинец П", разрушающего забой способом щелевого отрыва. Текст. / Г.П. Половнев // Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Караганда - фонды КПТИ. - 1966. - 26 с.

22. Половненв Г.П. Породопроходческий комбайн "Карагандинец ПС". Текст. / Г.П. Половнев, И.Т. Кравцов, Р.И. Урбанис, Л.Д. Маркман // Горные машины и автоматика. - 1971. - № 1. - с. 9 - 10.

23. Барон Л.И. Сопротивляемость горных пород отрыву. Текст. / Л.И. Барон, Л.Т. Керекелица // Киев, "Наукова думка". 1974. - 192 с.

24. Семенов В.М. Разрушение диэлектрических горных пород в электрических полях высокой частоты. Текст. / В.М. Семенов, Ю.Н. Захаров, М.М. Чесноков. М., ИГД им. Скочинского. - 1965. - 204 с.

25. Кравченко B.C. Высокочастотный контактный способ вторичного дробления крепких железных руд. Текст. / B.C. Кравченко, А.П. Образцов, Д.А. Денисов // Научные сообщения ИГД АН СССР. вып. 1. - Госгортехиздат. - 1959. - с. 63 - 68.

26. Кравченко B.C. Беспыльное разрушение горных пород электрическим способом. Текст. / B.C. Кравченко, А.П. Образцов, В.В. Устинов // "Горный журнал". 1960. -№9.-с. 38-42.

27. Семенов В.М. Разрушение негабарита хромитовых горных пород. Текст. / В.М. Семенов // сборник "Борьба с силикозом". т. 4. - изд - во АН СССР. - М. - 1962. -с. 37-40.

28. Семенов В.М. Дробление негабарита током высокой частоты. Текст. / В.М. Семенов, М.М. Чесноков, Ю.Н. Захаров // "Строительные материалы". 1964. - № 12. -с. 81-86.

29. Желтов Ю.П. О гидравлическом разрыве нефтеносного пласта. Текст. / Ю.П. Желтов, С.А. Христианович // изв. АН СССР. 1955. - № 5. - с. 57 - 69.

30. Желтов Ю.П. Деформация горных пород. Текст. / Ю.П. Желтов. М., "Недра". -1966. -197 с.

31. Чернов О.И. О флюидоразрыве породных массивов. Текст. / О.И. Чернов, Н.Г. too // ФТПРПИ. 1988. - № 6. - с. 81 - 92.

32. Чернов О.И. Результаты экспериментов по гидродинамической стратификации монолитного породного массива с целью его разупрочнения. Текст. / О.И. Чернов, Б. А. Фролов, С.Я. Красников, Л.Н. Шепелев // ФТПРПИ. 1985. -№ 6. - с. 74 - 78.

33. Чернов О.И. Теоретическое изучение разрушения горной породы растяжением при различных схемах нагружения щели в массиве. Текст. / О.И. Чернов, О.А. Абрамова // ФТПРПИ. 1994. - №2. - с. 60 - 66.

34. Тамбовцев П.Н. Экспериментальные исследования процесса флюидоразрыва породных блоков ударным способом. Текст. / П.Н. Тамбовцев // ФТПРПИ. 2004. -№3. - с. 52-59.

35. Тамбовцев П.Н. Направленный разрыв природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре. Текст. / П.Н. Тамбовцев // Диссертация на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Новосибирск. - 2006. - 103 с.

36. Патент РФ № 2131032. Способ разрушения горных пород. / Н.Г. Кю, О.И. Чернов. Опубл. в БИ № 15,1999.

37. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. Текст. / В.И. Клишин Н., "Наука". - 2002. -199 с.

38. Кю Н.Г. О методе направленного разрушения горных пород пластичными веществами. Текст. / Н.Г. Кю, Д.А. Цыганков // ФТПРПИ. 2003. -№6. - с. 57 - 63.

39. Чернов О.И. Применение флюидоразрыва для разупрочнения подкровельной толщи при отработке мощных пологих пластов. Текст. / О.И. Чернов, Ю.М. Леконцев, В.В. Кодола // Уголь. 2000. - № 9. - с. 17 - 19.

40. Авторское свидетельство СССР №1055874. Устройство для образования зародышевых трещин в скважинах. / М.В. Курленя, Н.Г. Кю, О.И. Чернов, Е.И. Шемякин, Л.Н. Шепелев. Опубл. в БИ №43, 1983.

41. Авторское свидетельство СССР №907247. Устройство для образования зародышевых трещин. / О.И. Чернов, Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, Г.Ф. Бобров, Н.Г. Кю. Опубл. в БИ №7, 1982.

42. Авторское свидетельство СССР № 901458. Устройство для образования зародышевых трещин. / Г.Ф. Бобров, В.Г. Грибанов, М.В. Курленя, О.И. Чернов. -Опубл. в БИ №4,1982.

43. Авторское свидетельство СССР №1307056. Устройство для прорезания зародышевых щелей в скважине. / Н.Г. Кю, Г.В. Черемных, О.И. Чернов, И.В. Шабалин, Л.Н. Шепелев. Опубл. в БИ №16, 1987.

44. Авторское свидетельство СССР №1221345. Скважинное устройство для образования зародышевых трещин. / Н.Г. Кю, С.Я Красников, О.И. Чернов, Г.В. Черемных, И.В. Шабалин, Л.Н. Шепелев. Опубл. в БИ №12, 1986.

45. Авторское свидетельство СССР №1217521. Устройство для образования щелей на стенках скважин. / В.Г. Хомяков, В.К. Водолажский, О.И. Чернов. Опубл. в БИ №10, 1986.

46. Авторское свидетельство СССР №1458569. Устройство для образования щелей на стенках скважин. / О.И. Гребенник, О.И. Чернов, В.Г. Зарубин, JI.B. Зворыгин, Р.С. Прасолова, Н.П. Патрушев, С.Ф. Аверьянов. Опубл. в БИ №6,1989.

47. Авторское свидетельство СССР №1266983. Рабочий орган для образования щелей в стенках скважин. / В.Г. Хомяков, О.И. Чернов, Г.Ф. Бобров, В.Г. Грибанов. Опубл. в БИ №40,1986.

48. Авторское свидетельство СССР №1319669. Устройство для образования щелей в стенках скважины. / Г.Ф. Бобров, Н.Г. Кю, Г.С. Мурзин, Б.А Фролов, О.И. Чернов, И.В. Шабалин, Л.Н. Шепелев. Опубл. в БИ №8, 1987.

49. Авторское свидетельство СССР №300593. Пакер. / М.М. Нагуманов. Опубл. в БИ №13,1971.

50. Авторское свидетельство СССР №877006. Устройство для гидроразрыва скважин. / М.В. Курленя, В.К. Аксенов, Н.С. Лавров, Ю.М. Волков, О.И. Кютт, Р. Юн. Опубл. в БИ №40, 1981.

51. Беленков А.Ф. Исследование, разработка и применение пакерных устройств в бурении. Текст. / А.Ф. Беленков. М., "Недра". - 1976. -160 с.

52. Лещев Д.А. Разделительный тампонаж в скважинах. Текст. / Д.А. Лещев М., Гостоптехиздат. - 1963. - 61 с.

53. Медведев И.Ф. Ликвидация зависаний и вторичное дробление руд. Текст. / И.Ф. Медведев, А.В. Абрамов, А.П. Нефедов. М.: "Недра". - 1975. - 197 с.

54. Клишин В.И. Разработка способов и средств адаптации механизированных крепей к динамическим условиям нагружения. Текст. / В.И. Клишин // Диссертация на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Новосибирск: ИГД СО РАН. -1998. - 321 с.

55. Чернов О.И. Результаты экспериментов по гидродинамической стратификации монолитного породного массива с целью его разупрочнения. Текст. / О.И. Чернов, Б. А. Фролов, С.Я. Красников, ЯН. Шепелев // ФТПРПИ. 1985. - №6. - с. 74 - 78.

56. Патент РФ №1790674. Устройство для образования поперечных полостей на стенках скважин. / О.И. Чернов, В.И. Клишин, Ю.В. Матвиец, Л.Н. Шепелев, Н.Г. Кю, Н.И. Шадрин, Л.В. Зворыгин. Опубл. в БИ №3, 1993.

57. Авторское свидетельство РФ №1737116. Устройство для гидроразрыва пород в шпуре. / М.В. Курленя, С.Н. Попов, Руслан Юн, С.Ф. Аверьянов, В.К. Федоренко. -Опубл. в БИ №20, 1992.

58. Леонтьев А.В. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва. Текст. / А.В. Леонтьев, С.Н. Попов // "Горный журнал". №3. - 2003. - с. 37 - 43.

59. Курленя М.В. Развитие метода гидроразрыва для исследования напряженного состояния массива горных пород. Текст. / М.В. Курленя, А.В. Леонтьев, С.Н. Попов // ФТПРПИ. №1. - 1994. - с. 3 - 20.

60. Патент РФ № 2243520. Стенд для испытания уплотнений. / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин. Опубл. в БИ №36,2004.

61. Сажин П.В. Исследование влияния механических свойств уплотнений на направление развития инициирующей щели. Текст. / П.В. Сажин // Горный информационно аналитический бюллетень, М.: МП У. - 2004. - № 7. - с. 254 - 257.

62. Зайдель А.Н. Экспериментальные оценки ошибок измерений. Текст. / А.Н. Зайдель. Л.: "Наука". - 1967. - 89 с.

63. Новицкий П.В. Оценка погрешностей результатов измерений. Текст. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. JI.: Энергоатомиздат. - 1985. - 248 с.

64. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. Текст. / А.Б. Фадеев -М.: "Недра".-1987.-221 с.

65. Zienkiewicz О.С. The finite element method. Текст. / O.C. Zienkiewicz. Mc Graw -Hill. London. -1977. -787 p.

66. Присекин B.JI. Расчет стержневых систем. Текст. / В.Л. Присекин -Новосибирск, НГТУ. 1994. - 59 с.

67. Бате Н. Численные методы анализа и метод конечных элементов в технике. Текст. / Н. Бате, Е. Вилсон. М.: Стройиздат. -1982. - 447 с.

68. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Текст. / О. Зенкевич М.: "Мир".- 1975.-539 с.

69. Розин Л.А. Стержневые системы как системы конечных элементов. Текст. / Л.А. Розин. Л. - 1976. - 232 с.

70. Присекин В.Л. Конечно элементный комплекс программ COSMOS/M. Текст. / В.Л. Присекин, Г.И. Расторгуев // Учебное пособие. - Новосибирск: НГТУ. - 1993. -62 с.

71. Светлицкий В.А. Механика стержней. Текст. / В.А. Светлицкий М.: "Наука". -1987.-624 с.

72. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Текст. / В.И. Феодосьев М.: "Наука".-1986.-539 с.

73. Александров А.В. Сопротивление материалов. Текст. / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин. М.: "Высшая школа". - 2004. - 560 с.

74. Патент РФ №2268359. Устройство для гидроразрыва пород в скважине. / Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Опубл. в БИ №2,2006.

75. Патент РФ №2263776. Щелеобразователь. / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин. Опубл. в БИ № 31,2005.

76. Пархоменко А.И. Справочник механика угольной шахты. Текст. / А.И. Пархоменко, В.И. Остапенко, И.М. Митько и др. М.: "Недра". - 1985. - 448 с.

77. Соколов А.И. Горно шахтное оборудование. Текст. / А.И. Соколов // Номенклатурный справочник. - М.: ЦНИИЭИуголь. - 1979. - 365 с.

78. Методические указания по управлению геомеханическим состоянием пород в период формирования и проявления первых осадок кровли. Текст. Л.: М - во угольной пром - ста СССР. ВНИИ горн, геомех. и маркшейд. дела. - 1986. - 114 с.

79. Разрушение горных пород. Текст. Санкт - Петербург: ЛГИ им. Г.В. Плеханова. -1991.-92 с.

80. Кузнецов С.Т. Приближенный расчет возможности расслоения кровель угольных пластов. Текст. / С.Т. Кузнецов, Б.З. Амусин, Д.Г. Пекарский // ФТПРПИ. № 4. -1975.-с. 12-17.

81. Джевецки Я. Новые методы предотвращения опасных горных ударов. Текст. / Я. Джевецки // Глюкауф. № 2(3). - 2002. - с. 18 - 21.