автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор и обоснование параметров и режимов работы инструмента для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями

На правах рукописи

Сапронов Игорь Владимирович

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГИДРОСТРУНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПЕРЕСЕКАЮЩИМИСЯ

СТРУЯМИ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

К ¿013

Тула-2013

005544189

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

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

ГОЛОВИН Константин Александрович

Официальные оппоненты:

ЕРМОЛОВИЧ Елена Ахмедовна, доктор технических наук, «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» / кафедра прикладной геологии и горного дела, профессор.

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

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

Зашита диссертации состоится «27»декабря 2013 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.04 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-таН:К>о1а1?@таН.ги.

Автореферат разослан «27 » ноября 2013 г. Ученый секретарь ^^«ег

диссертационного совета - Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивные темпы строительства, плотная городская застройка, развитая сеть инженерных коммуникаций и высокая конкуренция, все чаще требует использования экономичных и технологичных методов прокладки инженерных коммуникаций. Проведение строительных работ в сложных геологических условиях создает необходимость в придании неустойчивым горным породам требуемых физико-механических свойств. Решение данной задачи возможно с использованием гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями. Технология является развитием гидроструйной цементации и заключается в использовании двух высокоскоростных суспензионных водоцементных струй пересекающихся в определенной точке, с целью гашения их кинетической энергии и получения массива известной конфигурации. Энергия струй направляется на разрушение и перемешивания горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления на строго определенном расстоянии.

Крайне малый объем данных по гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, отсутствие научно обоснованных способов определения рациональных режимов работы оборудования для получения массива наибольшей прочности при минимальных энергетических затратах, требует проведения комплексных научных исследований, направленных на изучение влияния различных параметров процесса гидроструйной цементации на эффективность работы оборудования, 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 20092013 гг. и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации».

Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения параметров и режимов работы инструмента для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, обеспечивающих повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород и расширения области эффективного применения технологии ГСЦ.

Идея работы заключалась в применении двух пересекающихся, под определенным углом, высокоскоростных водоцементных струй с целью

ограничения их разрушающей способности для повышения эффективности закрепления массива неустойчивых горных пород при рациональных энергетических параметрах работы установки ГСЦ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• применение гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями обеспечивает создание закрепленного массива строго заданного диаметра повышенной прочности;

• прочность и диаметр закрепленного массива зависят от давления водоцементного раствора, диаметра струеформирующих насадок, скорости подачи и частоты вращения буровой колонны, угла наклона струеформирующих насадок относительно горизонтальной оси резания, а также от сцепления горных пород;

• область значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации пересекающимися струями зависит от значения давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, частоты вращения бурового става и угла наклона струеформирующих насадок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены закономерности процесса формирования закрепленного массива методом гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями с учетом конструктивных и режимных параметров работы установки;

• выведена обобщенная зависимость для определения показателей прочности закрепленного массива в зависимости от параметров процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями;

• обоснованы конструктивные и режимные параметры процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями

Практическое значение работы заключается:

• разработана методика проведения исследований процесса закрепления неустойчивых горных пород на основе гидроструйной цементации пересекающимися струями;

• разработан ГСЦ инструмент для реализации гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями;

• разработана стендовая установка для исследования процесса закрепления неустойчивых горных пород гидроструйной цементацией пересекающимися струями;

• разработана «Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научный анализ и обобщение опыта эксплуатации гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями; проведение экспериментов и обработку экспериментальных данных с применением метода математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Реализация работы. «Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования» приняты Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании высоконапорного оборудования. Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Основы проектирования горных машин и комплексов» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (К вар '

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, г. Тула, (2012, 2013гг.); 9-ой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Минск, 2013)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 -в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, состоит из 4 разделов, содержит 23 таблицы, 50 рисунков, список литературы из 161 наименования и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ результатов исследований, выполненных Е.В.Беляковой, В.А.Бреннером, И.И.Бройдом, К.А.Головиным, И.М.Коноваловым, Л.И.Малышевым, А.П.Назаров, А.Е.Пушкаревым, Л.С.Ушаковым, М.Ф.Хасиным, С.С.Шавловским, C.S.Covil, R.Essler, G.Guatteri, T.Yashiro, H.Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ является прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и

неустойчивых горных пород для последующего укрепления фундаментов, создания стен в породе, укрепления тоннелей, укрепления склонов, создания диафрагмы плотин, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных завес, укрепления откосов при ведении открытых работ.

Однако традиционные разновидности гидроструйной цементации (одно-, двух- и трехкомпонентные технологии) имею ряд недостатков, среди которых:

• неоднородность полученного закрепленного массива;

• переменчивая геометрия закрепленного массива, вызванная наличием различных включений в горном массиве;

• крайне малая производительность в особо сложных горных породах, которые плохо поддаются воздействию на них водоцементных струй высокого давления!

Вариантом решения данных проблем является применение технологии гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• установить влияние конструктивных и режимных параметров гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями на показатели процесса формирования закрепленного породобетонного массива;

• выявить рациональные параметры процесса формирования закрепленного породобетонного массива методом гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и получить расчетные зависимости для их определения;

• разработать обобщенную зависимость для определения показателей прочности горных пород в зависимости от параметров процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями;

• разработать ГСЦ инструмент для реализации гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями.

Технология гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями - это метод, который используется для разрушения горных пород и последующего создания породобетонных колонн диаметром от 2 до 2.5 метров, путем фокусировки водоцементного потока выходящего из насадок, направленных под определенным углом, в точке пересечения, обычно лежащей на расстоянии одного метра от выходных отверстий. В точке столкновения, размывающая энергия струи рассеивается, что значительно снижает усилие резки. В горных породах обладающих большой вязкостью, переменной прочностью, или очень

стратифицированных, технология дает важное преимущество в виде известной геометрии закрепленного массива и однородности требуемого закрепляющего материала.

В работах В.А.Бреннера, И.И.Бройда, К.А.Головина, А.Е.Пушкарева описаны механизмы взаимодействия высокоскоростных струй с массивом горных пород при реализации различных гидроструйных технологий (гидроструйное, гидроабразивное разрушение, водоструйное бурение и др.). При этом, в соответствии с применяемой классификацией, в процессе взаимодействия водоцементной струи с разрушаемым массивом высокоскоростную водоцементную струю можно определить как затопленную струю, осуществляющую свою работу по разрушению в условиях среды близкой плотности.

Для описания закономерностей разрушения массива при использовании гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, необходимо учесть особенности, возникающие в связи с расположением струеформирующих насадок на технологическом инструменте (рис. 1).

цементации пересекающимися струями: I - буровой став; 2 - насадка Оля нагнетания водоцементной суспензии; 3 - высокоскоростная струя водоцементного раствора; 4-буровая головка; 5 -породобетон; 6-массив незакрепленной породы; Оо - диаметр пилотной скважины, м; £>- диаметр закрепляемого массива; с10 - диаметр насадки для подачи водоцементной суспензии, м; Р - давление водоцементной суспензии, МПа;^ V- скорость подъема бурового става, м/с; п- частота вращения бурового става, с , а -угол наклона струи к горизонтальной плоскости, С - сцепление горной породы, МПа, ц - коэффициента расхода водоцеметной суспензии проходящий через струеформирующую насадку

Параметры, которые влияют, на процесс гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями делятся на следующие группы:

- конструктивные: коэффициент расхода водоцементной суспензии проходящий через струсформирующую насадку //, диаметр пилотной скважины /)0, диаметр отверстия нагнетающей насадки </„, угол наклона струеформирующих насадок относительно горизонтальной плоскости а;

- режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость подъема бурового става V, частота вращения бурового става п, давление водоцементной суспензии Р;

- физико-механические характеристики горного массива.

Основным параметром, показывающимся эффективное закрепление массива, является прочность. Во многих источниках, например в книге Бройда И.И. «Струйная геотехнология», приводиться прочность на одноосное сжатие. Однако представленные в литературе зависимости имеют под собой сложную и зачастую неясную методику расчета, так же нет связи с параметрами работы установки для закрепления горных пород.

Влияние параметров гидроструйной цементации на прочность закрепляемого массива и концентрацию цемента в нем, можно представить в виде (1):

где П0 - диаметр пилотной скважины, м, р — плотность водоцементной суспензии, кг/м3, ц - коэффициент расхода через нагнетающую насадку, -диаметр нагнетающей насадки, м, Р - давление водоцементной суспензии, МПа, V- скорость подъема бурового става, м/с, п - частота вращения бурового става, с"1, С - сцепление горных пород, МПа, а - угол наклона струеформирующих насадок относительно горизонтальной плоскости.

В ходе экспериментальных работ необходимо бьшо определить значение диаметра и прочности закрепленного массива при различных значениях параметров работы установки. Связать прочность закрепленного массива с параметрами работы установки.

Экспериментальные исследования влияния основных факторов на показатели процесса ГСЦ проводились на специальном стенде, имитирующем работу оборудования для реализации технологии ГСЦ (фотография 1).

Была разработана стендовая установка с источником водоцементной суспензии высокого давления (до 60 МПа), включающая в себя цементировочный насос, миксерную станцию и силос для хранения цемента (табл. 1). На основании анализа литературных источников и опыта

эксплуатации оборудования для ГСЦ горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной р = 2000 кг/м3

Фотография 1 - Общий вид стендовой установки

Для регистрации давления водоцементной суспензии стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманометра и измерительной станции на базе ПК. В исследованиях использовались струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода равным 0,75.

Таблица I -Диапазон варьирования основных параметров работы установки

Основные факторы Диапазон изменения

Давление водоцементной суспензии - Р, МПа 40-60

Диаметр нагнетающей насадки - с1„, м 0,002 - 0,003

Скорость перемещения бурового става - У, м/с 0,0018-0,0082

Частота вращения бурового става - и, с"1 0,167-0,330

Сцепление горных пород - С, МПа 0,006 - 0,064

Угол наклона струсформирующей насадки — а, град. 15,20,30

Работы в стендовых условиях проводились с пятью различными типами горных пород (табл. 2). В качестве показателя физико-технических свойств горных пород было принято сцепление горных пород С.

Таблица 2- Основные характеристики горных пород

Горная порода Сцепление горных пород С, МПа

Глина 0,064

Суглинок 0,045

Супесь 0,032

Гравий 0,023

Песок 0,006

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: прочность закрепляемого породобетонного массива, скорость приращения объема закрепляемого породобетонного массива (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород.

Анализ влияния скорости перемещения бурового става на диаметр закрепляемого массива показывает, что с увеличением скорости перемещения V, в указанных пределах, диаметр закрепляемого породобетонного массива уменьшается в 1,5 раза. При этом наибольшее уменьшение значений И соответствует породам с меньшим сцеплением. Уменьшение диаметра закрепляемого массива происходит потому, что при возрастании скорости перемещения время воздействия водоцементной струи на единицу объема пород снижается, и, как следствие, понижается глубина проникновения струи в массив.

Анализ экспериментальных данных показывает, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра струеформирующей насадки. Увеличение диаметра струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива почти в 1,5 раза. Подобное явление объясняется тем, что при повышении диаметра отверстия насадки увеличивается длина активного участка струи, вызывающая возрастание глубины проникновения струи в массив.

С целью получения обобщенной зависимости рациональной скорости перемещения прокалывающего става м/с) были проведены

эксперименты по установлению влияния скорости перемещения, частоты вращения бурового става, диаметра отверстий и угла наклона струеформирующих насадок, давления водоцементной суспензии на скорость приращения объема закрепляемого массива.

= 2.36 • 10- • Р"ю - <39 • л0М6 ■ а014 (2)

Индекс корреляции данного выражения составил Я = 0,91, а критерий Фишера ¿<"=65,5. Критическое значение критерия Фишера зависимости при 5% уровне значимости составляет Fв,os= 2,11, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Ктр= 7,8%, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных

Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения бурового става вначале увеличивается, достигая своего максимума, а затем уменьшаться (рис. 2), а удельная энергоемкость процесса ГСЦ, наоборот, сначала уменьшается, достигая своего минимума, а потом

возрастает (рис. 3), т.е. изменяются по зависимостям, близким к параболическим. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ) соответствует рациональной скорости перемещения прокалывающего става.

Такой характер изменения показателей процесса и объясняется тем, что большему значению И соответствует меньшее значения V. Поэтому произведение этих величин на границах исследованного диапазона изменения V меньше значений произведения в середине диапазона.

Рисунок 2-График зависимости скорости приращения объема закрепляемого массива Со (м /с) от скорости перемещения прокалывающего става V (м/с), при Р=50 МПа, п=0.25 с'

0,01

0,008

0,006

0,004

0,002

о о.

-Глина (<Ю=0.002м) —■—Суглинок (сЮ=0.002м) «-*г»Супесь (сЮ=0.002м)" -«-Гравий (<Ю=0.002м) -«-Песо« (Л)=0.002м) —♦—Глина (сЮ=0.0025м) —»—Суглинок (сЮ=0.0025м)

-Супесь (сЮ=0.0025м)

-»—Гравий (<Ю=0.0025м) •—»—Песок (сЮ=0.0025м)

0018 0,0032 0,005 0,0066 0,0082~®"-Г™на (¿0=0.003«) Скорость перемещения V, м/с

Рисунок 3 - Трафик зависимости энергоемкости процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород Е0 (МДж/м3) от скорости перемещения бурового става V (м/с), при Р=50 МПа. п=0.25 с' 11

0,0032 0,005 0,0066

Скорость перемещения V, м/с

Глина ((Ю=0.002м) ■Суглинок (а0=0.002м) Супесь (<Ю=0.002м)" Гравий (сЮ=0.002м) —»—Песок (ао=0.002м) (сЮ=0.0025м) ((Ю=0.0025м) •Супесь (а0=0.0025м) (Й0=0.0025м) (с10=0.0025м) (с)0=0.003м) (с)0=0.003м)

(ао=о.оозм)

-—Гравий (сЮ=0.003м) и Песок (Й0=0.003м) 0,0082

?- * 30 а §

о -1-

0,0018

Значение прочности массива и концентрации цемента в массиве напрямую зависят от диаметра закрепленного массива, который измерялся в ходе проведения опытов.

Прочность закрепляемого массива а^ и концентрация с зависят от ряда параметров, главными из которых являются: скорость подъема бурового става V, давление нагнетания водоцементной суспензии Р, частота вращения бурового става п, диаметр отверстия струеформирующей насадки </„, сцепление горных пород С, угол наклона струеформирующих насадок а .

Также на процесс гидроструйной цементации влияет коэффициент расхода суспензии через насадку ц, плотность водоцементной суспензии р и диаметр пилотной скважины /->„.

Анализ влияния каждого из факторов на прочность закрепленного массива горной породы ведет к построению графиков, использовать которые не достаточно удобно.

Трудность использования этих графиков состоит в том, что разрозненные частные зависимости, связывающие между собой отдельные параметры при заданных значениях других переменных, не объединены общей зависимостью и не могут позволить оценить общую картину технологии гидроструйной цементации. Поэтому для создания обобщенных количественных зависимостей необходимо изыскать графоаналитический метод, который даст возможность объединить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между зависимыми переменными.

Часть параметров в процессе опытных исследований не варьировались. К числу неизменяемых параметров относятся: р, О0 ,ц.

С учетом постоянства данных параметров, выражение (1) приобретает следующий вид:

с = /2(с10,Р,У ,п,С,а)

Результатом обработки массива экспериментальных данных методом множественной регрессии была получена следующая формула для определения прочности:

<ж ° рл0.71 £>0/34 (4)

Индекс корреляции для выражения прочности равен Л = 0,88, критерий Фишера ^"=386. Критическое значение критерия Фишера для зависимости при 5% уровне значимости составляет Р01о5= 2,11 , что подтверждает

12

достоверность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации экспериментальных данных относительно расчетных данных по новой зависимости составил К„ар= 6,7%, что указывает на удовлетворительную сходимость данных.

В диссертации разработана «Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования». Данная методика была принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании установок для ГСЦ.

На основании проведенных исследований, был создан вариант конструктивного исполнения бурового става, реализующего гидроструйную цементацию неустойчивых горных пород пересекающимися струями, с возможностью изменения расстояния между струеформирующими насадками, представленный на рис. 4. В ходе разработки был учтен опыт проектирования оборудования для кумулятивных струй, проводимый на кафедре ГиСПС.

I А Л Л, » 2 5

Ттха пересечение ШЬцетятва ащй

Рисунок. 4. Инструмент для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород

пересекающимися струями (конструктивная схема, масштаб 2:1): I - клапанное устройство;2 -регулируемая секция со струеформирующими насадками; 3 -струеформирующая насадка; 4 - регулировочная гайка; 5 - водоцементный канал; 6 -промывочный канал; 7 -буровой инструмент

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании выполненных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности изменения параметров и режимов работы инструмента для гидроструйной цементации неустойчивых

горных пород пересекающимися струями, обеспечивающие повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород и расширения области эффективного применения технологии ГСЦ, что имеет существенное значение для горной отрасли России.

Основные выводы, научные положения и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлено, что при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями давление водоцементной суспензии, скорость подачи, частота вращения буровой колонны, диаметр и угол наклона струеформирующих насадок, а также сцепления горных пород оказывают значительное влияние на прочность закрепляемого породобетонного массива.

К примеру, при повышении давления водоцементной суспензии от 40 до 60 МПа прочность закрепляемого массива линейно возрастает в 1,3 - 1,5 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост прочности породобетона в среднем 1,4 раза. С увеличением скорости подачи, частоты вращения буровой колонны и сцепления горных пород - прочность закрепляемого породобетонного массива уменьшается. При этом увеличение показателей прочности, в сравнении с традиционной технологией ГСЦ, при одинаковых параметрах работы установки, составляет в среднем 1,78 раза. Получена зависимость для определения прочности закрепляемого породобетонного массива при гидроструйной цементации в зависимости от параметров работу установки.

2.На основании взаимосвязи параметров работы оборудования с показателями процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями обнаружены области минимальных удельных энергозатрат и максимальных скоростей увеличения объема закрепляемого массива, определяющие рациональные значения прочности закрепленного массива. При этом выявлено, что на прочность закрепленного массива в большей мере влияет давление водоцементной суспензии, скорость подачи и частота вращения буровой колонны, угол наклона струеформирующих насадок, а сцепление горных пород практических не влияет на окончательное значение прочности, при применении гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями.

3.Предложена технологическая схема работы оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями.

4.Разработана оригинальная конструкция оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями обеспечивающая возможность реализации данной технологии при закреплении массива неустойчивых горных пород.

5.Разработана «Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования». Данная методика была принята Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к использованию при проектировании установок для ГСЦ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 .Белякова Е.В, Головин К.А., Сапронов И.В. Бестраншейная прокладка трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки// Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.145-150.

2.Афонский И.В., Головин К.А., Ковалев P.A., Сапронов И.В. Разработка бурового инструмента для перекрестной гидроструйной технологии закрепления неустойчивых горных пород// Материалы 9-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ Сборник научных трудов: БИТУ, г. Минск, 2013. Т. 1. С. 419-421.

3.Головин К.А., Сапронов И.В. Закрепление неустойчивых горных пород методом перекрестной гидроструйной цементации// Материалы 9-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ Сборник научных трудов: БНТУ, г. Минск, 2013. Т.1. С. 33-40.

4.Головин К.А., Сапронов И.В. Сравнение прочности закрепленного грунтобетонного массива для традиционной и перекрестной гидроструйной цементации// Материалы 9-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»/ Сборник научных трудов: БНТУ, г. Минск, 2013. Т.1. С. 40-44.

5.Головин К.А., Сапронов И.В. Закрепление горных пород с помощью технологии сталкивающихся струй// Материалы научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие информационные технологии»/ под общ. ред. A.JI. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.29-30.

6.Головин К.А., Сапронов И.В. Бестраншейная прокладка трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки// Материалы научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие информационные технологии»/ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.31-32.

7.Головин К.А., Сапронов И.В. Разработка бурового инструмента для перекрестной гидроструйной технологии закрепления неустойчивых горных

пород// Материалы научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие информационные технологии»/ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.32-34.

8.Головин К.А., Сапронов И.В. Нахождение зависимости прочности закрепленного массива горной породы от параметров процесса гидроструйной цементации// Материалы научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие информационные технологии»/ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.34-35.

9.Головин К.А., Сапронов И.В. Оборудование для реализации перекрещивающейся струйной технологии// Материалы научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие информационные технологии»/ под общ. ред. А.Л. Чеботарева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.36.

Ю.Головин К.А., Сапронов И.В. Нахождение зависимости прочности закрепленного массива горной породы от параметров процесса гидроструйной цементации// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 116-122.

11.Головин К.А., Сапронов И.В. Прочность закрепленного массива при применении технологии перекрестной гидроструйной цементации// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.Ю. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 133-137.

12.Головин К.А., Сапронов И.В. Современные методы закрепления неустойчивых горных пород// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.Ю. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 152-158.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 26.11.2013 Формат бумаги 60x84 'Лб. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 096 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

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

и^гс-и ! т-'Ь-ти-1

На правах рукописи

Сапронов Игорь Владимирович

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПЕРЕСЕКАЮЩИМИСЯ

СТРУЯМИ

05.05.06 - «Горные машины»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Головин К.А.

Тула-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 5

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1. Методы и средства придания неустойчивым горным породам требуемых физико-механических свойств 1 о

1.2. Современные методы закрепления пород и комбинации существующих технологий 1 g

1.2.1. Метод «Множество точек впрыска» (Super Multiple points injection) 19

1.2.2. Сухой струйный способ смешивания (Dry Jet Mixing method) 21

1.2.3. Двухступенчатая система закрепления горных пород (Dual-tube Double Packer Grouting System) 22

1.3. Гидроструйная цементация 23

1.3.1. Введение 23

1.3.2. История развития гидроструйной цементации. 23

1.3.3. Технология гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями 31

1.3.3.1. Этапы возведения колонн 35

1.3.3.2. Сравнение трехкомпонентной струйной технологии и технологии перекрещивающихся струй 37

1.3.4. Теоретический аспект гидроструйной цементации 40

1.3.4.1. Влияние давления 40

1.3.4.2. Влияние скорости потока 40

1.3.4.3. Влияние сжатого воздуха 41

1.3.4.3.1. Окутывание сжатым воздухом 42

1.3.4.3.2. Скорость и объем нагнетаемого воздуха 43

1.3.4.4. Другие эффекты 43

1.3.5. Применение струйной цементации 45

1.4. Оборудование для гидроструйной цементации. 47

1.4.1. Состав оборудования 47

1.4.2. Примеры оборудования 50

1.4.2.1. Буровая установка Obermann CR 14 50

1.4.2.2. Буровые установки YBM. 52

1.4.2.3. Насосы высокого давления для струйной 54 цементации Obermann

1.4.2.4. Насосы высокого давления для струйной 55 цементации YBM

Выводы по главе 57

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПО Л ОЖЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ 5 8 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Параметры процесса гидроструйной цементации 58 неустойчивых горных пород пересекающимися струями.

2.2. Общие положения методики 62

2.3. Стендовая установка для исследования технологии ГСЦ 65

2.4. Показатель физико-механических свойств горных пород 72 Выводы по главе 73

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ПЕРЕСЕКАЮЩИМИСЯ СТРУЯМИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАКРЕПЛЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА СТЕНДОВОЙ УСТАНОВКЕ 74

3.1.Влияние давления водоцементной смеси на диаметр закрепляемого массива горной породы 74

3.2. Влияние скорости перемещения бурового става на диаметр закрепляемого массива 76

3.3. Влияние диаметра струеформирующей насадки на диаметр

закрепленного массива горной породы

3.4. Влияние частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива горной породы

3.5. Влияние угла наклона струеформирующих насадок на

82

диаметр закрепляемого массива горной породы

3.6. Влияние параметров гидроструйной технологии неустойчивых горных пород пересекающимися струями на скорости увеличения объема закрепляемого массива и удельную

от

энергоемкость процесса закрепления

3.7. Нахождение зависимости прочности закрепленного массива горной породы от параметров процесса гидроструйной

98

цементации

3.8. Сравнительный анализ прочности породобетонного массива для традиционной гидроструйной цементации и гидроструйной цементации пересекающимися струями !! 6 Выводы по главе 119

4.РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 121

4.1.Разработка ГСЦ-инструмента для технологии

пересекающихся струй 121

4.2. Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования ^ 22

4.3.Перспективы применения технологии гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися 125 струями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127

ЛИТЕРАТУРА 129

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интенсивные темпы строительства, плотная городская застройка, развитая сеть инженерных коммуникаций и высокая конкуренция все чаще требуют использования экономичных и технологичных методов прокладки инженерных коммуникаций. Для проведения строительных работ в сложных геологических условиях необходимо, чтобы неустойчивые горные породы обладали требуемыми физико-механическими свойствами. Решение этой задачи возможно с использованием гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями. Данная технология является развитием гидроструйной цементации (ГСЦ) и заключается в использовании двух высокоскоростных суспензионных водоцементных струй, пересекающихся в определенной точке, с целью гашения их кинетической энергии и получения массива известной конфигурации. Энергия струй направляется на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления на строго определенном расстоянии.

Крайне малый объем данных по гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, отсутствие научно обоснованных способов определения рациональных режимов работы оборудования для получения массива наибольшей прочности при минимальных энергетических затратах требуют проведения комплексных научных исследований, направленных на изучение влияния различных параметров процесса гидроструйной цементации на эффективность работы оборудования, 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 также согласно тематическому плану 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 являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей изменения параметров и режимов работы инструмента для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, обеспечивающих повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород и расширение области применения технологии ГСЦ.

Идея работы заключалась в применении двух пересекающихся под определенным углом высокоскоростных водоцементных струй с целью ограничения их разрушающей способности для повышения эффективности закрепления массива неустойчивых горных пород при рациональных энергетических параметрах работы установки ГСЦ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• применение гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями обеспечивает создание закрепленного массива строго заданного диаметра повышенной прочности;

• прочность и диаметр закрепленного массива зависят от давления водоцементного раствора, диаметра струеформирующих насадок, скорости подачи и частоты вращения буровой колонны, угла наклона струеформирующих насадок относительно горизонтальной оси резания, а также от сцепления горных пород;

• область значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации пересекающимися струями зависит от давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, частоты вращения бурового става и угла наклона струеформирующих насадок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены закономерности процесса формирования закрепленного массива методом гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями с учетом конструктивных и режимных параметров работы установки;

• выведена обобщенная зависимость для определения показателей прочности закрепленного массива в зависимости от параметров процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями;

• обоснованы конструктивные и режимные параметры процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научный анализ и обобщение опыта эксплуатации гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями; проведение экспериментов и обработка экспериментальных данных с применением метода математической статистики; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается значительным объемом проведенных экспериментов; корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Квар<6,7 %).

Научное значение работы заключается:

• в установлении закономерностей изменения скорости приращения объема закрепляемого массива и энергоемкости процесса от давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, частоты вращения и скорости перемещения буровой колонны, угла наклона

струеформирующих насадок относительно горизонтальной оси резания, а также от сцепления горных пород;

• в получении зависимостей, позволяющих изменять прочность закрепляемого массива в зависимости от давления водоцементной суспензии, диаметра струеформирующих насадок, частоты вращения и скорости перемещения буровой колонны, угла наклона струеформирующих насадок относительно горизонтальной оси резания, а также сцепления горных пород, и определить области значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями, обеспечивающих минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород.

Практическое значение работы заключается в следующем:

• разработана методика проведения исследований процесса закрепления неустойчивых горных пород на основе гидроструйной цементации пересекающимися струями;

• спроектирован ГСЦ-инструмент для реализации гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями;

• разработана стендовая установка для исследования процесса закрепления неустойчивых горных пород гидроструйной цементацией пересекающимися струями;

• разработана «Методика расчета параметров установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися струями и энергетических характеристик насосного оборудования»

Реализация работы. «Методика расчета параметров установки для

гидроструйной цементации неустойчивых горных пород пересекающимися

струями и энергетических характеристик насосного оборудования» приняты

Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» к

использованию при проектировании высоконапорного оборудования.

Результаты исследований внедрены в учебные курсы «Основы

проектирования горных машин и комплексов» для студентов Тульского

8

государственного университета, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».

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, 2012, 2013); 9-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Минск, 2013).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.Методы и средства придания неустойчивым горным породам требуемых физико-механических свойств

Закрепление горных пород - искусственное преобразование (физико-химическими методами) параметров горных пород для различных целей их дальнейшего использования в условиях естественного залегания. В результате преобразования горных пород повышается несущая способность, увеличивается прочность, водонепроницаемость, сопротивление размыву [8].

Основные способы закрепления неустойчивых горных пород: глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, методы электрохимического или термического воздействия, искусственное замораживание, кессонный способ, водопонижение, гидроструйная цементация. Существует также ряд методов, полученных в результате комбинированного использования существующих способов закрепления неустойчивых горных пород [8].

Глинизация - принудительное нагнетание глины в пустоты и крупные трещины в массиве горной породы (доломитов, карстовых известняков и т.п.), которая рассчитана для сооружения гидроизоляционных завес при возведении горных выработок и подземных сооружений различного назначения. Работы производятся при значительных объёмах пустот, с целью уменьшения расхода более дорогостоящих закрепляющих материалов (цемента). Основа метода сводится к нагнетанию раствора глины насосами, развивающими давления до 8 МПа, через специально пробуренные скважины. При проникновении раствора в трещины вода из них выдавливается в окружающий горный массив, а раствор заполняет пустоты [8].

Недостатком технологии является неспособность глинистого раствора существенно повысить прочностные характеристики закрепляемого массива. Она лишь обеспечивает гидроизоляционную завесу. Также к ее недостаткам

следует отнести ограниченную область применения по типу закрепляемых горных пород [8].

Для уменьшения фильтрации воды в котлован через скальные, полускальные и гравелисто-песчаные горные породы используют битумизацию. При битумизации в горные породы подается жидкий битум (тампонаж) в горячем или холодном виде. Горячую битумизацию рекомендуется применять в кавернозных скальных трещиноватых горных породах при большой скорости грунтовых вод в качестве вспомогательного метода к цементации горных пород. Суть технологии сводится к инъекции в поры и трещины горячего битума под марками БНД60/90, БНД40/60 при использовании особых битумизационных поршневых насосов высокого давления (5—6 МПа) - застывая, битум придает горной породе водонепроницаемость. При распространении битума по трещинам тепло рассеивается и его вязкое сопротивление течению значительно увеличивается, примерно в 107 раз, что сильно ограничивает возможность использования битумизации [8].

Суть холодной битумизации сводится к инъекции через специально пробуренные скважины в трещины горной породы битумной эмульсии (битума, рассеянного в виде мелких частиц в воде), которая свертывается в трещинах или порах, при этом вода отфильтровывается из пор, а частицы битума тампонируют образовавшиеся пустоты, как следствие, горная порода становится водонепроницаемой [11].

Смолизация - способ укрепления горных пород смолами. Суть способа

сводится во внедрении в горный массив сложных синтетических смол типа

карбамидных, фенолформальдегидных в смеси со специальными

соединениями, служащими для отвердения смол (кислотами, кислыми

солями). Спустя некоторое время в результате реакции смолы с

отвердителями запускается процесс полимеризации смолы, который состоит

их трех стадий. На первой стадии у раствора исчезает первоначальная

вязкость, и он начинает густеть. Далее раствор приобретает

11

желатинообразное состояние и, наконец, переходит в твердое вещество, которое делает массив водонепроницаемым и придает ему высокую прочность [8].

Технология закрепления горных пород смолами нашла свое применение для сухих и водонасыщенных песчаных горных пород с коэффициентом фильтрации воды 0,5—25 м/сут с целью увеличения несущей способности породного массива в основании зданий и сооружений для прокладки подземных выработок и сооружения противофильтрационных завес и экранов. Метод смолизации дал возможность решить проблему укрепления карбонатных песков при использовании в качестве отвердителя карбамидной смолы щавелевой кислоты [11].

Двухрастворный метод силикатизации горных пород используется при закреплении обедненных и водонасыщенных песков; прочность закрепления песков на одноосное сжатие составляет от 2 до 4 МПа. Закрепленный песок становится полностью водонепроницаемым, приобретает повышенную морозостойкость, невосприимчивость к кислотам и растворам нейтральных и кислых солей, однако неустойчив или малоустойчив в щелочных средах по причине растворения щелочной