WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Исиномаки, Япония, 1999 г.), научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалис тов». (г. Тула, 2000 г.), 2-ой Международной конференции по проблемам рационального природопользования. (г. Тула, 2002 г.), 3-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), 4-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем» (г. Тула, 2002 г.), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительс тва и энергетики (г. Тула, 2003 г.),научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 2004-2007 гг.), технических советах ОАО НВСП «Техпрогресс» (г. Санкт-Петербург 2004-2007 гг.), и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» (г. Тула, 2004-2007 гг.), международных конференциях «Гидроструйные технологии» (2003, 2006 гг.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005, 2006, 2007 гг.), 2-ом и 3- ем международном северном социально-экологическом конгрессе «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2006, 2007 гг.), III-ем международном научном симпозиуме (г. Орел, 2006 г.),. IV семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 2007 г.), Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 статьи, одна монография и получен патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 260 страницах машинописного текста, содержит рисунков, 34 таблицы, список использованной литературы из 228 наименования и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Известно, что подземные и открытые горные работы существенно осложняются, в случае если они проводятся в неустойчивых и обводненных горных породах. Традиционной технологией ведения работ предусматривается отвод воды от забоя по дренажным канавам или откачка с помощью насосов. Большие труднос ти проявляются, например, при проходке стволов или наклонных горных выработок, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено. Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить с табилизацию горных пород в забое или исключить попадание воды в подземные выработки. Применение же специальных способов и средств закрепления неус тойчивых и обводненных горных пород позволяет изменить их физико-технические свойства, повысить прочность и устойчивость пород, а также частично или полностью устранить приток воды.

К числу таких специальных способов относятся: искусственное замораживание горных пород; водопонижение; закрепление горных пород связывающими растворами; химическое (силикатизация, смолизация и битумизация) и электрохимическое закрепление горных пород и др. При этом используются буровая техника, холодильные установки, насосное и другое оборудование. К общим недостаткам этих способов ведения горных работ следует отнести низкую эффективность закрепления массивов, значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы. Более эффективной альтернативой этим способам закрепления породных массивов является способ ГСЦ горных пород.

Анализ результатов исследований, выполненных И.И. Бройдом, Л.И.

Малышевым, М.Ф. Хасиным, C.S. Covil, G. Guatteri, T. Yahiro, H. Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ горных пород является наиболее прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и неустойчивых пород для последующей проходки и поддержания горных выработок, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных завес, укрепления откосов при ведении открытых горных работ.

Процесс ГСЦ горных пород сводится к следующему (рис. 1). На первом этапе специально оборудованной под ГСЦ буровой ус тановкой бурится пилотная скважина заданного диаметра (см. рис. 1, а). Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с промывкой цементным или глинис тым раствором под давлением, не превышающим 5 МПа. Промывочная жидкость подается непосредственно в буровой инструмент. На следующем этапе (см. рис. 1, б) насосной установкой высокого давления (на рис. не показана) к струеформирующей насадке подается водоцементный раствор под давлением 40 - 60 МПа. При этом автоматически перекрывается канал промывки, и открывается канал питания струеформирующей насадки (или насадок, если их несколько) диаметром 0,8 – 3 мм. Причем насадка ориентирована таким образом, чтобы истекающая струя была направлена перпендикулярно оси буровой колонны. Включается вращение буровой колонны и начинается ее перемещение до заданной отметки (см. рис. 1, в). В результате происходит разрушение и перемешивание породы за счет высокой кинетической энергией водоцементной струи. Таким образом, формируется массив закрепленной горной породы цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала – породобетона.

К преимуществам технологии ГСЦ по сравнению с известными технологиями упрочнения неустойчивых горных пород можно отнести следующие:

- обеспечение долговременного характера закрепления массива после снятия закрепляющего воздействия по сравнению с самым распространенным способом – замораживанием;

- высокая скорость выполнения работ по закреплению массива;

- принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных подземных условиях (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь цементировочный комплекс может располагаться на некотором удалении, например, в капитальной горной выработке);

1 4 а 6 1 4 б в 1 4 Рис. 1. Технологическая последовательность получения закрепленного массива способом ГСЦ:

а - бурение пилотной скважины; б – разрушение и перемешивание горной породы водоцементной суспензионной струей; в - извлечение буровой колонны из закрепленного массива: 1 – базовая буровая установка; 2 – буровой став; 3 – буровой инструмент; 4 – породный массив неустойчивых горных пород; 5 – закрепленный породный массив; 6 – горная выработка - возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;

- отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);

- чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты, количество материалов и стоимость работ).

Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по ГСЦ горных пород состоит из ис точника водоцементной суспензии высокого давления и буровой ус тановки со специализированным навесным оборудованием.

Источник водоцементной суспензии высокого давления, в свою очередь, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления; миксерную с танцию и силос для хранения цемента, которые объединяются при помощи системы трубопроводов. Насосное оборудование, полностью отвечающее требуемым технологическим параметрам, на сегодняшний день выпускается серийно как отечественной, так и зарубежной промышленнос тью.

В качестве базовой буровой установки наиболее подходящими образцами, на наш взгляд, являются машины СБГ-3 и СБГ-3321, производства ООО «СМЗ».

Однако технология ГСЦ неустойчивых пород не нашла пока широкого применения в горной промышленности, поскольку производство буровых станков со специализированным навесным оборудованием, габаритные, массовые и другие характеристики которых позволяли бы эффективно применять их в подземных условиях, в России в настоящее время не налажено. И вот почему:

- механизм и закономерности процесса ГСЦ горных пород практически не изучены;

- не разработаны буровые ставы, включающие в себя следующие основные элементы: гидросъемник, обеспечивающий подачу водоцементной суспензии от насосного блока во вращающуюся буровую колонну; линейные секции става (буровые штанги), обеспечивающие подачу суспензии к монитору и передачу осевого усилия и крутящего момента от вращателя станка к буровому инструменту; и гидромонитор, оснащенный струеформирующей насадкой, служащей для формирования высокоскоростной суспензионной струи и предназначенной для разрушения и перемешивания горных пород;

- отсутс твуют обоснованные рекомендации по разработке и созданию буровых ставов и их элементов для осуществления ГСЦ горных пород;

- не выработаны научно-обоснованные рекомендации по определению рациональных режимов работы оборудования;

- не разработана АСУ перемещения буровой колонны с заданной скоростью для обеспечения гарантированого качества работ по устройству закрепляемого массива требуемой формы в виде тела вращения без разрывов и необходимым содержанием цемента в единице объема породы;

- отсутс твует инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.

Кроме того, осуществление мероприятий по обоснованному сокращению номенклатуры применяемых насосных установок предопределяет необходимость разработки типоразмерного и параметрического рядов машин для ГСЦ горных пород.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработка математической модели процесса ГСЦ неус тойчивых горных пород на основе современных представлений о разрушении материалов затопленными струями, обеспечивающей раскрытие механизма и установление его закономерностей.

2. Разработка методических основ и создание экспериментальной базы для проведения исследований процесса и средств ГСЦ горных пород.

3. Проведение экспериментальных исследований процесса ГСЦ горных пород, включающих:

- установление закономерностей влияния конс труктивных и режимных параметров, а также физико-технических свойств горных пород на показатели процесса формирования закрепляемого массива горных пород при ГСЦ;

- получение расчетной зависимости для определения диаметра закрепляемого массива;

- установление рациональных параметров процесса ГСЦ горных пород.

4. Разработка и проведение экспериментальных исследований буровых ставов и их элементов для реализации технологии ГСЦ горных пород, включающих:

- разработку параметрического и типоразмерного рядов буровых ставов и источников высокого давления водоцементной суспензии;

- разработку элементов буровых ставов (гидросъемника, буровых штанг и гидромонитора) и проведение их испытаний.

5. Разработка АСУ процессом ГСЦ горных пород.

6. Создание станка для ГСЦ и проведение его испытаний.

7. Разработка инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.

Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ горных пород, являются (рис. 2):

- конструктивные: диаметр пилотной скважины D0, коэффициент рас хода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку, диаметр отверстия струеформируещей насадки d0 ;

- режимные: плотность водоцементной суспензии, скорость перемещения буровой колонны V, частота вращения буровой колонны n, давление водоцементной суспензии P ;

- физико-технические свойства горных пород.

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива D, скорость приращения объема закрепляемого породного массива G0 (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород E0.

1 2 n d, P V r m, D D Рис. 2. Схема ГСЦ горных пород:

1 – буровая колонна; 2 – струеформирующая насадка; 3 – водоцементная суспензионная струя; 4 – механический буровой инструмент; 5 – породобетон; 6 – закрепляемый исходный массив Анализ результатов исследований, выполненных Г.Н. Абрамовичем, В.Е. Бафталовским, В.А. Бреннером, Ю.А. Гольдиным, А.Б. Жабиным, И.М.

Коноваловым, Н.К. Кузьмичем, И.М. Лавитом, В.Г. Мерзляковым, Г.А. Нурок, А.Е. Пушкаревым С.С. Шавловским, и др. учеными, позволил выявить основные положения теории и практики применения гидравлических струй как угле- и породоразрушающего инструмента в процессах гидроструйных технологий в горном производстве. В соответствии с принятой классификацией высокоскоростная водоцементная струя с учетом присущих ей особенностей при ГСЦ неустойчивых горных пород является затопленной струёй, осуществляющей свою работу по разрушению в условиях среды близкой плотности. В связи с этим при математическом описании процесса ГСЦ неустойчивых горных пород было принято допущение о равенс тве плотности водоцементной струи и плотности среды. Исходя из этого, гидродинамические параметры водоцементной струи определяются следующим образом (рис. 3).

4 2 R l h l i V n P V т р с t a F,F ц s т р с n l Рис. 3. Расчетная схема взаимодействия водоцементной суспензионной струи с породным массивом:

1 – буровой став; 2 – водоцементная струя; 3 – исходный породный массив; 4 – закрепленный породный массив; R1 – радиус цементируемого породного массива, м;

l0 - расстояние от среза струеформирующей насадки до поверхности массива, м;

h – глубина разрушения массива, м; S – площадь контакта струи с массивом, м2;

Dм – диаметр монитора, м Скорость по оси водоцементной струи, м/с, определяется по формуле 0,vстр = v, (1) 0,16li + 0,dS d D м где li – расстояние от струеформирующей насадки до произвольной точки на оси струи, м; v0 – скорость на срезе насадки, м/с; d0 – диаметр отверс тия струеформирующей насадки, м.

Скорость в произвольной точке струи, м/с, определяется из выражения 1 r - 2 0,08l v = v e, (2) стр где r – расстояние по нормали от оси струи до рассматриваемой точки, м.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»