автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров работы прокалывающей установки с гидроструйной цементацией массива для условий неустойчивых горных пород

На правах рукописи

Гарипов Марсель Вояфисович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ С ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ МАССИВА ДЛЯ УСЛОВИЙ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? о М13

Тула-2013

005062075

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент ГОЛОВИН Константин Александрович Официальные оппоненты:

ЛУКИЕНКО Леонид Викторович, доктор технических наук, профессор, Новомосковский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева» (НИ РХТУ)/ кафедра «Техническая механика», заведующий кафедрой.

ТОЛОКОННИКОВ Александр Сергеевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (ТулГУ)/ кафедра «Подьемно-транспортные машины и оборудование», доцент.

Ведущая организация: ОАО «Подмосковный научно-исследовательский

и проектно-конструкторский институт» (ОАО «ПНИУИ»)

Защита диссертации состоится «5» июля 2013 г. в 12 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-13-05, е-таП:1оо1а11:@таП.ги.

Автореферат разослан « 5 » июня 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. До недавнего времени прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин, при наличии на поверхности земли каких-либо сооружений, проходила при помощи установок, позволяющих реализовать технологию прокладки трубопроводов методом прокола. При этом обеспечивалось сохранение устойчивости и целостности поверхностного слоя горного массива. Однако при ведении таких работ в слабых, неустойчивых горных породах (глина, суглинок, супесь, гравий, песок) была вероятность просадки горного массива, приводящей впоследствии к деформации и разрушению прокладываемой трубы. Вариантом решения данной проблемы явилась прокладка инженерных коммуникаций методом управляемого прокола с одновременным закреплением неустойчивого горного массива при помощи установок с гидроструйной цементацией горных пород. Однако конструкцию таких машин нельзя назвать надежной в связи с тем, что подача раствора к вращающемуся исполнительному органу происходит через гидросъемник, который интенсивно изнашивается и впоследствии выходит из строя. Также использование данной технологии требует дополнительный источник питания для привода двигателя вращателя бурового става, что усложняет конструкцию самой установки.

В связи с этим в данной работе проведено комплексное исследование, направленное на создание конструкции установки для бестраншейной прокладки трубопровода с созданием защитной породобетонной оболочки в слабых, неустойчивых горных породах, которая будет наиболее простой и в то же время эффективно, что и определяет актуальность работы.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №219 (шифр программы 2010-219-001.073, договор №13.037/31/0023), а так же в соответствии с тематическим планом федеральной, целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементацию).

Целью работы является обоснование конструктивных и режимных параметров прокалывающей установки с гидроструйной цементацией неустойчивых горных пород без вращения бурового става, для эффективного формирования породобетонного массива.

Идея работы заключается в том, что эффективное формирование закрепляемого горного массива при проколе с гидроструйной цементацией без вращения бурового става осуществляется путем использования плоскоструйных насадок высокого давления на рабочем инструменте прокалывающей установки при рациональных энергетических параметров процесса.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

диаметр и скорость приращения объема закрепляемого массива зависят от давления вододементной суспензии, диаметров струеформирующих насадок, угла разлета жидкости, скорости перемещения прокалывающего става, а также от коэффициента сцепления горных пород;

область значений рациональной скорости перемещения прокалывающего става при гидроструйной цементации без его вращения зависит от значения давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, коэффициента сцепления горных пород и угла разлета струи;

использование плоскоструйных струеформирующих насадок при ведении работ по прокладке трубопровода с использованием технологии гидроструйной цементации обеспечивает эффективное закрепление массива неустойчивых горных пород.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены закономерности процесса формирования закрепленного массива методом гидроструйной цементации горных пород с учетом конструктивных и режимных параметров исполнительного органа прокалывающей установки;

- выведена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массива;

- обоснованы конструктивные и режимные параметры процесса и разработано оборудование для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной породобетонной оболочки без вращения бурового става в неустойчивых горных породах.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок и оборудования для гидроструйной цементации; проведение экспериментов и обработку экспериментальных данных с применением метода математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается объемом проведенных экспериментов, корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Квар<18 %).

Научное значение работы заключается:

- в установлении закономерностей изменения скорости приращения объема закрепляемого массива и энергоемкости процесса от давления водоцементной суспензии, диаметров струеформирующих насадок, угла разлета струи, скорости перемещения прокалывающего става, а также от коэффициента сцепления горных пород;

- в установлении зависимостей, позволяющих изменять глубину закрепляемого массива в зависимости от давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, скорости перемещения прокалываю-

щего става, угла разлета струи, а также коэффициента сцепления горных пород, и определении области значений рациональной скорости перемещения прокалывающего става при гидроструйной цементации, обеспечивающим минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород.

Практическое значение работы:

- создана стендовая установка для исследования процесса формирования породобетонной оболочки вокруг трубопровода с использованием плоскоструйных насадок, позволяющая в широком диапазоне изменять параметры процесса.

- разработана методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной породобетонной оболочки без вращения бурового става.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы используются в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, а также включены в учебно-методические комплексы дисциплин по специальности «Горное дело» при внедрении государственного образовательного стандарта 3-го поколения.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, (Тула, 2010 и 2011); 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010); 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2011); 4-м Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, из них 2 — в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 22 таблицы и список использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ научно—исследовательских работ, выполненных В.А. Бреннером, И.И. Бройдом, К.А. Головиным, И.М. Коноваловым, Л.И. Малышевым, А.Е. Пушкаревым, Е.В. Беляковой, Л.С. Ушаковым, М.Ф. Хасиным, С.С. Шавловским, С.Б. СоуП, О. виаНеп, Т. УавЫго, Н. УоБЫс1а и др. учеными, позволяет утверждать, что на сегодняшний день бестраншейный метод прокладки трубопроводов с одновременным струйным закреплением горного

массива цементным раствором под высоким давлением является наиболее перспективным по сравнению с траншейным методом.

Однако общим недостатком всех установок бестраншейной прокладки трубопроводов с использованием гидроструйной цементацей является следующее: на всех прокалывающих установках с гидроструйной цементации подача раствора к вращающемуся исполнительному органу происходит через гидросъемник, который, интенсивно изнашивается и впоследствии часто выходит из строя; вращение бурового става осуществляется от двигателя, для работы которого требуется дополнительный источник питания и в то же время усложняет конструкцию самой установки.

Вариантом решения данной проблемы является осуществление подачи водоцементной суспензии в горный массив через плоскоструйные струе-формирующие насадки, расположенные на исполнительном органе распыляющие раствор в радиальном направлении с определенным углом, что позволяет избавиться от механизма вращения бурового става прокалывающей установки.

Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие

задачи:

- установить влияние конструктивных и режимных параметров прокалывающей установки с использованием метода гидроструйной цементации горных пород без вращения прокалывающего става на показатели процесса формирования закрепленного породобетонного массива;

- выявить рациональные параметры процесса формирования закрепленного породобетонного массива и получить расчетные зависимости для их определения;

- разработать обобщенную зависимость для определения показателей процесса гидроструйной цементации горных пород;

- разработать методику расчета конструктивных параметров инструмента, методику расчета режимных параметров процесса гидроструйной цементации для закрепления слабых горных пород, а так же методику расчета энергетических характеристик насосного оборудования.

Рисунок 1 - Технологическая схема процесса управляемого прокола с созданием породобетонной оболочки

Технологическая схема создания защитной породобетонной оболочки методом гидроструйной цементации вокруг прокладываемого трубопровода с использованием плоскоструйных струеформирующих насадок реализуется следующим образом (рис. 1). На первом этапе работ методом управляемого прокола выполняется проходка пилотной скважины; на вышедший в приемный котлован исполнительный орган установки направленного прокола крепится конический расширитель (риммер) с присоединенной к нему трубой-чехлом, которая и должна быть установлена в насыпи. На втором этапе осуществляется обратное вытягивание прокалывающего става с одновременной подачей высокоскоростных водоцементных струй от автономного насосного оборудования.

Таким образом, одновременно в насыпи прокладывается труба, расположенная в теле породобетонного массива, имеющего заданную форму и регламентированные физико-механические свойства.

Для установления закономерностей процесса гидроструйной цементации горных пород были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования влияния основных факторов на показатели процесса гидроструйной цементации с использованием плоскоструйных насадок проводились на специальном стенде, имитирующем работу оборудования для реализации технологии гидроструйной цементации (рис. 2).

Рисунок 2 - Общий вид стендовой установки

Была разработана специальная установка с источником водоцемент-ной суспензии высокого давления (до 60 МПа), включающая в себя цементировочный насос. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для гидроструйной цементации горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась р = 2000 кг/м3. В исследованиях использовались плоскоструйные струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода ц = 0,75.

Работы в стендовых условиях проводились с пятью различными типами горных пород (табл. 1). В качестве показателя физико-технических свойств горных пород был принят коэффициент сцепления горных пород (С).

Таблица 1- Основные характеристики горных пород

Горная порода Коэффициент сцепления С, МПа

Глина 0,064

Суглинок 0,045

Супесь 0,032

Гравий 0,023

Песок 0,006

Процесс гидроструйной цементации осуществлялся следующим образом: в струеформирующее устройство (эквивалентным диаметром с10, коэффициентом расхода /и) производилась подача водоцементной суспензии (с плотностью р) под высоким давлением Р. После этого осуществлялось перемещение струеформирующего устройства со скоростью перемещения прокалывающего става V по поверхности закрепляемого массива.

После затвердевания формируется закрепленный массив треугольного сечения глубиной к и углом при вершине ¡3 (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема гидроструйной цементации горного массива:

1 — закрепляемый горный массив; 2 — породобетон; 3 - струеформирующая насадка; А — глубина цементации, м; ¡3 - угол при вершине породобетонного массива, град; ¿о - эквивалентный диаметр струеформируещей насадки, м; ц - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; Р - давление водоцементной суспензии, МПа; р - плотность водоцементной суспензии, кг/мв; V - скорость перемещения прокалывающего става, м/с; С - коэффициент сцепления горной породы, МПа

Все перечисленные параметры процесса гидроструйной цементации можно разделить на следующие группы:

- конструктивные: коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку /л, диаметр отверстия струеформируещей насадки с10\

- режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения прокалывающего става V, давление водоцементной суспензии Р;

- физико-механические свойства горных пород (на основе анализа данных литературных источников в качестве критерия, характеризующего сопротивляемость горных пород гидроструйному воздействию, принимаем С - коэффициент сцепления горной породы).

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса гидроструйной цементации горных пород были приняты следующие показатели: глубина закрепления Л, площадь закрепляемого массива ^ скорость приращения объема закрепляемого массива О0 (производительность) и удельная энергоемкость процесса гидроструйной цементации горных пород Е0.

Диапазон изменения параметров гидроструйной цементации представлен в табл. 2.

Таблица 2 - Основные факторы процесса гидроструйной цементации _и диапазон их изменения___

Основные факторы Диапазон изменения

Давление водоцементной суспензии Р, МПа 40-60

Диаметр струеформирующей насадки ¿0, м 0,002 - 0,003

Скорость перемещения прокалывающего става V, м/с 0,005-0,02

Угол разлета водоцементной струи Д, град 4-32

Коэффициент сцепления горных пород С, МПа 0,006-0,064

Анализ влияния скорости перемещения на глубину закрепляемого массива показывает, что с увеличением скорости перемещения прокалывающего става V в указанных пределах глубина закрепляемого горного массива уменьшается в 1,6 — 1,8 раза. Уменьшение глубины закрепляемого массива происходит потому, что при возрастании скорости перемещения прокалывающего става время воздействия водоцементной струи на единицу объема горной породы снижается и, как следствие, понижается глубина проникновения струи в массив.

С целью получения функциональной зависимости для определения рациональной скорости перемещения прокалывающего става ¥раЦ, были проведены экспериментальные исследования в пяти различных типах неустойчивых горных породах (глина, суглинок, супесь, гравий, песок) при различных значениях давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок и угла разлета струи.

Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения прокалывающего става вначале увеличивается, достигает своего максимума и начинает уменьшаться, т. е. изменяется по зависимости, близкой к парабо-

лической (рис. 4). С увеличением значения давления водоцементной суспензии и диаметра струеформирующих насадок скорость также увеличивается и глубина закрепляемого массива тоже увеличивается. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ) соответствует рациональной скорости перемещения прокалывающего става для данного диаметра струеформирующей насадки.

-*- Р = 40 МПа; й"3= 0,002 м; С= 0,064;/3=4° -Я- Р= 45 МПа; £?с = 0,003 м; С= 0=045; Д = 12° Р= 50 МПа; ¿5 = 0,002 м;С= 0,032:^ = 20° Р = 55 МПа; ¿о = 0,003 м; С= 0,023; Д = 32° Р= 60 МПа; £¡5 = 0,002 м; С= 0,00б;Д=4° -#- Р= 40 МПа; г?0=0,003 м; С= 0,006;^ = 32° р-45 МПа: г/о = 0,002 м: С = 0,023;^=4°

— />= 50 МПа: ¿с = 0,003 м; С= 0,032;/2= 12°

— р= 55 МПа: ¿5= 0,002 м;С=0,045;/? = 20° Р= 60 МПа; ¿о=0,003 м; С=0,064;$ = 52"

Рисунок 4 —График зависимости скорости приращения объема закрепляемого масссива О0 (м /с) от скорости перемещения прокалывающего става К (м/с).

Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость рациональной скорости перемещения прокалывающего става от дав-

10

ления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующей насадки, коэффициент сцепления горных пород и угла разлета струи:

Урац=5-Ю

р0,24 ,0,02 -3 г а0 с0,05 .^0,03

(1)

Индекс корреляции данного выражения составил Я = 0,93, а критерий Фишера ^=7,43. Критическое значение критерия Фишера зависимости при 5 % уровне значимости составляет ^е.о5= 2,46, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар= 5,8 %, что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением математической статистики. При исследовании процесса гидроструйной цементации горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценки различных влияющих параметров и условий.

Как уже было установлено, глубина закрепляемого массива А зависит от целого ряда параметров, основными из которых являются: скорость перемещения прокалывающего става V, давление водоцементной суспензии Р, диаметр отверстия струеформирующей насадки с10, коэффициент сцепления горных пород С, коэффициент расхода суспензии через насадку р, плотность водоцементной суспензии р и угол разлета водоцементной суспензии /?.

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

Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета глубины закрепляемого массива И, (м):

И = 0.996-

pl.12jl.28 г0 а0 0.38^0.25^0.51 •

(2)

Индекс корреляции данного выражения составил Я = 0,99, критерий Фишера = 324,2. Критическое значение критерия Фишера зависимости (2) при 5 % уровне значимости составляет Р005=- 1,17, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент

вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар= 17,5, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных (рис. 5).

]1рвс> М

Рисунок 5 - Сопоставление экспериментальных И,кс„ и расчетных Ирас данных

Полученная зависимость (2) позволяет рассчитать конфигурацию закрепляемого породобетонного массива с учетом свойств горной породы, режимов работы установки и конструктивного исполнения инструмента.

Во всех экспериментах сечение образцов закрепленного массива принимало форму треугольника, поэтому для нахождения площади закрепляемого массива использовалась следующая формула:

^ = (3)

Процесс создания комплекта оборудования для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной бетонной оболочки в неустойчивых горных породах без вращения прокалывающего става включает следующие этапы:

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

- выбор базовой прокалывающей установки, которая может работать в стесненных подземных условиях или при открытых работах;

- разработка оригинального дополнительного оборудования, оснащение которым базовой прокалывающей установки обеспечит формирование защитной породобетонной оболочки с рациональными параметрами процесса гидроструйной цементации.

Рисунок 6 - Исполнительный орган прокалывающей установки с плоскоструйной струеформирующей насодкой для реализации технологии прокола с созданием породобетонной оболочки без вращении прокалывающего става:

1 -хвостовик, 2 -расширитель, 3 - канал подачи водоцементной суспензии, 4 — струеформирующая насадка

Вариант конструктивного решения исполнительного органа прокалывающей установки, реализующего предложенную схему, представлен на рис.6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в работе установлены закономерности, позволяющие эффективно использовать предложенную конструктивную схему исполнительного органа прокалывающей установки с использованием гидроструйной цементации неустойчивых горных пород без вращения бурового става, что имеет существенное значение для горной отрасли России.

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Установлено, что при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород давление водоцементной суспензии, скорость перемещения прокалывающего става и угол разлета жидкости, диаметр установки насадки, а также диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на диаметр закрепляемого породобетонного массива. В частности, при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает примерно в 1,6 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива также линейно в среднем в 1,7 раз. С увеличением скорости перемещения и угла разлета жидкости, а также коэффициента сцепления горных пород диаметр закрепляемого породобетонного массива уменьшается. Получена зависимость для определения диаметра закрепляемого породобетонного массива при его гидроструйной цементации.

2. Получена зависимость для определения рациональной скорости перемещения прокалывающего става соответствующая максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива и минимальной энергоемкости процесса.

3. Предложена технологическая схема прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с одновременным созданием породобетонной оболочки методом гидроструйной цементации без вращения бурового става в условиях неустойчивых горных пород.

4. Разработана оригинальная конструкция прокалывающего става для прокалывающих установок, представляющая собой расширитель с установленными на нем плоскоструйными струеформирующими насадками и обеспечивающая возможность реализации технологии гидроструйной цементации при закреплении массива слабых горных пород.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Гарипов М.В., Головин К.А.Установление рациональных параметров оборудования для бестраншейной прокладки трубопровода с созданием грунтобетонной оболочки. // «Опыт прошлого — взгляд в будущее»: Международная научно-техническая конференция молодых ученых и студентов. / Материалы конференции : ТулГУ, Тула, 2011. С. 183-185.

2. Назаров А.П., Гарипов М.В., Пушкарев А.Е. К вопросу о прочности горного массива закрепленного методом ГСЦ. // Ударно-вибрационные системы, машины и технолгии: материалы 4-го Международного научного симпозиума. / под ред. д-ра техн. наук проф. Ушакова JI.C. Орел: ОрелГТУ, 2010. С. 118-123.

3. Белякова Е.В., Пушкарев А.Е., Гарипов М.В., Назаров А.П. Определение прочности горного массива, обработанного методом ГСЦ. // Материалы 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». / ТулГУ, 27-29 октября 2010г. Тула, 2010. Т.1. С. 342-347

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

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

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

7. Гарипов М.В., Головин К.А. Разработка конструкции расширителя прокалывающей установки для закрепления неустойчивых горных пород. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 326-329

8. Гарипов М.В., Головин К.А., Назаров А.П. Разработка методики расчета параметров прокалывающей установки для бестраншейной прокладки трубопроводов. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 330-334

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 3.06.2013 Формат бумаги 60x84 '/[6. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 110 экз. Заказ 034 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспЛенина, 95.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201360107

ГАРИПОВ Марсель Вояфисович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ С ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ МАССИВА ДЛЯ УСЛОВИЙ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

05.05.06 - Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Головин К. А.

Тула-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........9

1.1. Бестраншейные способы прокладки инженерных коммуникаций и сфера их практического использования............................................................9

1.2. Технология закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации..............................................................................16

1.2.1. Сущность технологии гидроструйной цементации горных пород 16

1.2.2. Перспективы развития технологии ГСЦ для строительной промышленности...........................................................................................25

1.3. Оборудование необходимое для осуществления бестраншейной прокладки коммуникаций с использованием технологии гидроструйной цементации горных пород................................................................................25

1.3.1. Оборудование необходимое для создания водоцементной суспензии и осуществление ее подачи под высоким давлением.............26

1.3.2. Прокалывающие установки для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.........................................................................31

1.4. Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки..........................34

1.5. Цель и задачи исследований.....................................................................36

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЙ............................................37

2.1 Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс гидроструйной цементации горных пород с использованием плоскоструйных насадок..................................................................................37

2.2 Общие положения методики......................................................................39

2.3. Стендовая база............................................................................................43

2.4. Плоскоструйная насадка высокого давления..........................................46

2.5. Экспериментальные исследования на стендовой установке.................49

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ УСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ

..............................................................................................................................55

3.1. Влияние угла разлета струи водоцементной суспензии на глубину закрепляемого массива.....................................................................................55

3.2. Влияние угла разлета струи водоцементной суспензии на площадь закрепляемого горного массива.......................................................................57

3.3. Влияние давления водоцементной суспензии на глубину закрепляемого массива.....................................................................................58

3.4. Влияние диаметра выходного отверстия струеформирующей насадки на глубину закрепляемого массива.................................................................62

3.5. Влияние скорости перемещения прокалывающего става на глубину закрепляемого массива.....................................................................................66

3.6. Влияние параметров ГСЦ горных пород на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса........70

4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЩЕЛЕВОЙ СТРУЕФОРМИРУЮЩЕЙ НАСАДКИ 112

4.1. Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке, и разработка метода расчета эффективности процесса

гидроструйной цементации грунтов.............................................................112

4.2. Расчет параметров прокалывающей установки с использованием технологии гидроструйной цементации грунтов.........................................116

5. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА С СОЗДАНИЕМ ПОРОДОБЕТОННОЙ ОБОЛОЧКИ 120

5.1. Разработка конструкции прокалывающей установки..........................120

5.2. Разработка элементов прокалывающего става......................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................129

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. До недавнего времени прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин, при наличии на поверхности земли каких-либо сооружений, проходила при помощи установок, позволяющих реализовать технологию прокладки трубопроводов методом прокола. При этом обеспечивалось сохранение устойчивости и целостности поверхностного слоя горного массива. Однако при ведении таких работ в слабых, неустойчивых горных породах (глина, суглинок, супесь, гравий, песок) была вероятность просадки горного массива, приводящей впоследствии к деформации и разрушению прокладываемой трубы. Вариантом решения данной проблемы явилась прокладка инженерных коммуникаций методом управляемого прокола с одновременным закреплением неустойчивого горного массива при помощи установок с гидроструйной цементацией горных пород. Однако конструкцию таких машин нельзя назвать надежной в связи с тем, что подача раствора к вращающемуся исполнительному органу происходит через гидросъемник, который интенсивно изнашивается и впоследствии выходит из строя. Также использование данной технологии требует дополнительный источник питания для привода двигателя вращателя прокалывающего става, что усложняет конструкцию самой установки.

В связи с этим в данной работе проведено комплексное исследование, направленное на создание конструкции установки для бестраншейной прокладки трубопровода с созданием защитной породобетонной оболочки в слабых, неустойчивых горных породах, которая будет наиболее простой и в то же время эффективной, что и определяет актуальность работы.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой развития инновационно-технологического центра Тульского государственного университета, выполняемой с целью реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №219 (шифр программы 2010-219-001.073, договор №13.037/31/0023), а так

4

же в соответствии с тематическим планом федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг. и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации».

Целью работы является обоснование конструктивных и режимных параметров прокалывающей установки с гидроструйной цементацией неустойчивых горных пород без вращения прокалывающего става, для эффективного формирования породобетонного массива.

Идея работы заключается в том, что эффективное формирование закрепляемого горного массива при проколе с гидроструйной цементацией без вращения прокалывающего става осуществляется путем использования плоскоструйных насадок высокого давления на рабочем инструменте прокалывающей установки при рациональных энергетических параметров процесса.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

диаметр и скорость приращения объема закрепляемого массива зависят от давления водоцементной суспензии, диаметров струеформирующих насадок, угла разлета жидкости, скорости перемещения прокалывающего става, а также от коэффициента сцепления горных пород;

область значений рациональной скорости перемещения прокалывающего става при гидроструйной цементации без его вращения зависит от значения давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, коэффициента сцепления горных пород и угла разлета струи;

использование плоскоструйных струеформирующих насадок при ведении работ по прокладке трубопровода с использованием технологии гидроструйной цементации обеспечивает эффективное закрепление массива неустойчивых горных пород.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены закономерности процесса формирования закрепленного массива методом гидроструйной цементации горных пород с учетом конструктивных и режимных параметров исполнительного органа прокалывающей установки;

- выведена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массива;

- обоснованы конструктивные и режимные параметры процесса и разработано оборудование для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной породобетонной оболочки без вращения прокалывающего става в неустойчивых горных породах.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок и оборудования для гидроструйной цементации; проведение экспериментов и обработку экспериментальных данных с применением метода математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается объемом проведенных экспериментов, корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Квар<18 %).

Научное значение работы заключается:

- в установлении закономерностей изменения скорости приращения объема закрепляемого массива и энергоемкости процесса от давления водоцементной суспензии, диаметров струеформирующих насадок, угла разлета струи, скорости перемещения прокалывающего става, а также от коэффициента сцепления горных пород;

- в установлении зависимостей, позволяющих изменять глубину закрепляемого массива в зависимости от давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, скорости перемещения прокалывающего става, угла разлета струи, а также коэффициента сцепления горных пород, и определении области значений рациональной скорости перемещения прокалывающего става при гидроструйной цементации, обеспечивающим минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород. Практическое значение работы:

создана стендовая установка для исследования процесса формирования породобетонной оболочки вокруг трубопровода с использованием плоскоструйных насадок, позволяющая в широком диапазоне изменять параметры процесса.

разработана методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной породобетонной оболочки без вращения прокалывающего става.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы используются в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ, а также включены в учебно-методические комплексы дисциплин по специальности «Горное дело» при внедрении государственного образовательного стандарта 3-го поколения.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, (Тула, 2010 и 2011); 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010); 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности,

7

строительства и энергетики» (Тула, 2011); 4-м Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, 2010).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Бестраншейные способы прокладки инженерных коммуникаций и сфера их практического использования

До появления машин, позволяющих прокладывать инженерные коммуникации бестраншейным образом, работы производились так называемым "открытым" способом. Этот способ предусматривал вскрытие грунтов (рытье траншеи) на необходимую глубину, проведение таких мероприятий, как: подготовка траншеи для прокладки трубопровода (как правило, это выравнивание дна траншеи); создание песчаной постели; непосредственно сама прокладка трубопровода или кабеля; засыпка проложенных коммуникаций инертным материалом; окончательная засыпка траншеи; восстановление растительного слоя или дорожного полотна.

Работа по прокладке коммуникаций траншейным способом являлась наиболее затратной, так как необходимо было создавать дополнительные временные сооружения, да и в целом ущерб, наносимый окружающей среде, не поддавался экономическому анализу.

Бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций позволяет производить работы без нарушения режима функционирования объектов находящихся в пределах производимых работ. Технология бестраншейной прокладки трубопровода является альтернативной традиционному траншейному методу и позволяет преодолевать преграды, встречающиеся на пути трубопровода (реки, дамбы, дороги, железнодорожные насыпи и т.д.), без нарушения режима их функционирования. Если речь идет о городских условиях, то нет необходимости вскрывать дороги, разрушать целостность скверов и парков, перекрывать движение транспорта и создавать неудобства для пешеходов. А в сложных гидрогеологических условиях бестраншейные технологии практически незаменимы, вследствие отсутствия необходимости проведения работ по водопонижению.

При бестраншейной прокладке коммуникаций используются следующие технологии:

■ технология прокола;

■ технология горизонтально-направленного бурения (ГНБ);

■ технология продавливания стальных футляров;

■ технология микротоннелирования.

Метод управляемого прокола может применяться для прокладки полиэтиленовых или стальных трубопроводов или футляров для газо- и водоснабжения, канализации, кабелей различного назначения. Работы выполняются как в городах и населенных пунктах, так и при переходах под автомобильными или железными дорогами.

Сердцем установки управляемого прокола является силовой гидроцилиндр усилием порядка 40 тонн, чаще всего, с полным штоком для размещения прокалывающих штанг и присоединенным перекашивающимся захватом штанг.

Рис. 1.1. Наконечник прокалывающей головки с пилотной штангой,

производства фирмы Уегтеег

Наконечник прокалывающей головки имеет скошенную поверхность и при задавливании отклоняет прокалывающий став в сторону. Оператор с помощью георадара видит, как необходимо повернуть головку, чтобы выправить траекторию в нужную сторону. При задавливании штанг с вращением прокалывающий став движется прямолинейно.

После выхода в приемном котловане прокалывающая головка заменяется на конический расширитель (риммер), и обратным ходом штанг с уплотнением грунта пилотная скважина расширяется до необходимого диаметра. Одновременно или после расширения в скважину протаскивается труба. Прокалывающая установка работает без буровых растворов, так как стенки скважины держатся за счет уплотненного слоя грунта; она может использоваться и зимой - при работе ниже уровня промерзания грунта.

Отличительные особенности установки управляемого прокола:

■ компактная, недорогая, мощная, лёгкая в транспортировке;

■ вращающийся шток позволяет контролировать направление;

■ защита от поражения электрическим током.

■ для установки требуется очень небольшая стартовая яма. [1]

Сущность технологии ГНБ заключается в последовательном

выполнении таких технологических операций, как, бурение пилотной скважины, расширение скважины обратным ходом бурового става, и протягивание трубопровода [1].

На первом этапе работ осуществляется бурение пилотной скважины. Технически прокладка осуществляется при помощи грунторазрушающего инструмента (исполнительного органа) - головной секции со скосом в передней части.

Строительство пилотной скважины завершается выходом исполнительного органа в заданной проектом точке (см. рис. 1.2.а).

Расширение скважины (см. рис. 1.2.6) производится после завершения прокладки пилотной скважины. При этом головная секция отсоединяется от

става и вместо нее присоединяется риммер - расширитель обратного действия.

Третий этап работ заключается в протягивании трубопровода (см. рис. 1.2.в).

Для этого, на противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая плеть трубопровода. К переднему концу петли крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом и риммером.

а)

Рис. 1.2.