WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Диаметр струи, м, рассчитывают по зависимости li d = (3) 0,27 d + 1d0, Угол разлёта струи, град, находится по формуле 2 31,25d0 1,14l + 1 -7,81d d = 1 +. (4) l где l = l0 + h – глубина проникновения, м Формулы (1) - (4) получены путем адаптации к условиям ГСЦ неус тойчивых горных пород известных и получивших экспериментальное подтверждение аналитических выкладок Г.Н. Абрамовича. При этом разрушение породного массива происходит в результате последовательного отделения (сдвига) слоёв породы под действием гидродинамического давления на площади поверхности контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления Fсц и трения Fтр вдоль поверхности сдвига.

Расчет силы воздействия струи осуществляется по зависимости d F = P 1, (5) vстр m v где Р – давление на выходе из струеформирующей насадки, МПа; m - плотность горной породы в массиве, кг/см3.

Математическое описание разрушения породного массива при его ГСЦ основано на представлении массива горных пород в виде пластической модели, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора:

F = = С + tg, (6) n S где F = Fсц + Fтр – сила воздействия струи, Н; S – площадь контакта струи с массивом, м2; С – коэффициент сцепления, МПа; – угол внутреннего трения; – касательные напряжения, МПа; n – нормальные напряжения, МПа.

Исходя из этого, условием разрушения является следующее соотношение:

d P 1 (cos - sin tg ) C, (7) 2S vстр m v где – угол наклона касательной к поверхности разрушения (см. рис. 3).

Совместное решение соотношений (1), (3) и (7) с учетом равенства (4) позволяет рассчитать значение по всей длине линии сдвига, что однозначно определяет форму и объем разрушаемого слоя породного массива и позволяет оценить эффективнос ть воздействия водоцементной с труи при ГСЦ горных пород.

vстр = 0,96 v0;

0,16l + 0, d l d = (8) 0,27 d0 + 1d0;

d P 1 (cos - sin tg ) - C = 0.

2S vстр m v Решение системы уравнений (8) относительно l позволяет получить глубину проникновения водоцементной суспензионной струи в породный массив. Таким образом рассчитывается диаметр закрепляемого массива горных пород D = 2R1= 2l + Dм, м.

Для установления закономернос тей процесса ГСЦ горных пород и проверки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования. Для этого была разработана специальная ус тановка, с источником водоцементной суспензии высокого давления до 60 МПа, включающим в себя цементировочный насос, миксерную станцию и силос для хранения цемента. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для ГСЦ горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной = 2000 кг/см3. Образцы горных пород, в качестве которых использовались глина, суглинок, супесь, гравий и песок, с различными физикотехническими свойствами в специальных цилиндрических контейнерах крепились на столе установки. Стол приводился во вращение от электродвигателя при помощи планетарного редуктора и цепной передачи. Над поверхностью образа породы вдоль оси его вращения располагалась струеформирующая насадка с возможностью контролируемого перемещения в радиальном направлении. 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 = 0,75.

Для обоснованного выбора показателя физико-технических свойств пород, определяющего процесс их ГСЦ, за основные характеристики этих свойств были приняты показатели, широко применяющиеся, в том числе, при размыве горных пород гидромониторными струями (табл. 1).

Таблица Исследуемые Наименование показателей диапазоны варьирования Коэффициент сцепления С, МПа 0,006 – 0,Коэффициент крепости f по шкале проф.

М.М. Протодьяконова 0,3 – 1,Пористость, % 37 – Объемный вес, кг/м1690 – Расчетное сопротивление Ro, кПа 250 – Установление показателя физико-технических свойств, определяющего процесс ГСЦ породного массива, проводилось с помощью метода парного корреляционного анализа, заключающегося в отыскании по результатам экспериментальных данных взаимосвязи диаметра закрепляемого породного массива D с каждым из показателей свойств в отдельнос ти по зависимости вида у = Ах + В. В качестве критерия ус тойчивости связи был принят коэффициент корреляции R, а степень тесноты связи оценивалась по уровню коэффициента вариации Квар. Экспериментальные исследования влияния свойств горных пород на диаметр закрепляемого породного массива D проводились при давлении водоцементной суспензии P = 50 МПа, диаметре отверстия с труеформирующей насадки d0 = 0,0025 м, частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1 и скорости перемещения буровой колонны V = 0,005 м/с.

Как показали результаты исследований, наилучшая корреляционная связь обнаружена при сопоставлении диаметра закрепляемого породного массива D с коэффициентом сцепления горных пород С. При этом с уменьшением С диаметр закрепляемого массива возрастает. По своей физической сущности коэффициент сцепления характеризует сопротивление сдвигу одного фрагмента горной породы относительно другого при отсутс твии внешней нагрузки. Зависимость, выражающая связь диаметра закрепляемого породного массива D, м, с коэффициентом сцепления горных пород С, МПа, имеет вид D = 1,55 – 13,74С. (9) Коэффициент корреляции для выражения (9) составил R = 0,95, а коэффициент вариации Квар = 4,8 %. Поэтому в качестве показателя физикотехнических свойств пород, определяющего процесс ГСЦ, рекомендуется использование коэффициента сцепления горных пород.

Полученный результат также подтверждает выдвинутое в ходе проведения теоретических исследований предположение о том, что основным показателем свойств горных пород, определяющим процесс ГСЦ и характеризующим механизм разрушения породного массива высокоскоростной водоцементной суспензионной струей, является коэффициент сцепления.

Влияние давления водоцементной суспензии на диаметр закрепляемого породного массива изучалось на образцах горных пород с С = 0,006 – 0,064 МПа. Диаметр отверстия струеформирующей насадки d0 = 0,0025 м, частота вращения буровой колонны n = 0,33 с-1 и скорость ее перемещения V = 0,005 м/с. Давление водоцементной суспензии P = 40, 45, 50, 55 и 60 МПа. Установлено, что при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5 - 1,8 раза. Это объясняется тем, что при больших значениях P водоцементная струя обладает большей скоростью истечения (более высокой кинетической энергией), приводящей к повышению глубины проникновения струи в породный массив, а следовательно, и диаметра закрепляемого массива.

Исследование влияния скорости перемещения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива проводились на образцах горных пород с С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива осуществлялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1, давлении водоцементной суспензии P = 50 МПа и диаметре отверс тия струеформирующей насадки d0 = 0,0020; 0,0025 и 0,0030 м. Скорость перемещения V изменялась от 0,0017 до 0,0083 м/с.

Анализ зависимости D = f(V) показывает, что с увеличением скорости перемещения V в указанных пределах диаметр закрепляемого породного массива линейно уменьшается в 1,6 – 2,8 раза. При этом наибольшее уменьшение значений D соответс твует породам с меньшим коэффициентом сцепления. Уменьшение диаметра закрепляемого массива происходит потому, что при возрастании скорости перемещения время воздейс твия водоцементной струи на единицу объема горной породы снижается, и как следствие, понижается глубина проникновения струи в массив.

Для определения влияния частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива проведены эксперименты на породах с С = 0,006 – 0,064 МПа. Давление водоцементной суспензии P = 50 МПа, диаметр отверс тия струеформирующей насадки d0 = 0,0025 м, а скорость перемещения V = 0,005 м/с. Частота вращения n изменялась от 0,167 до 0,5 с-1.

Установлено, что диаметр закрепляемого массива уменьшается с увеличением час тоты вращения по линейной зависимости. При изменении n в раза значения D снижаются в 1,5 – 1,8 раза. Это связано с тем, что при возрастании частоты вращения время воздействия водоцементной с труи на единицу объема горной породы уменьшается, а следовательно, снижается глубина проникновения струи и, соответственно, диаметр закрепляемого массива.

Влияние диаметра отверс тия с труеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива исследовалось на образцах горных пород с С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива выполнялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1, скорости ее перемещения V = 0,005 м/с и давлении водоцементной суспензии P = 50 МПа. В ходе экспериментов изменялся диаметр струеформирующей насадки d0 от 0,до 0,003 м.

Анализ экспериментальных данных показывает, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра струеформирующей насадки по линейной зависимости. Увеличение диаметра струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива почти в 1,6 раза. Подобное явление объясняется тем, что при повышении диаметра отверстия насадки увеличивается длина активного участка струи, вызывающее возрастание глубины проникновения струи в горную породу.

Кроме того, увеличивается расход водоцементной суспензии, а следовательно, повышается объем разрушаемой и перемешиваемой породы и, соответственно, диаметр закрепленного породного массива.

Экспериментальные исследования по установлению зависимостей скорости приращения объема закрепляемого массива G0 и удельной энергоемкости процесса E0 от параметров, определяющих процесс ГСЦ горных пород, а также коэффициента сцепления горных пород проводились на образцах с С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива осуществлялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,17; 0,25 и 0,33 с-1 и диаметре отверстия насадки d0 = 0,0020; 0,0025 и 0,030 м. Скорость перемещения V изменялась от 0,017 до 0,0083 м/с. Давление водоцементной суспензии P = 50 МПа.

Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения буровой колонны вначале увеличивается, достигая своего максимума, а затем уменьшаться, а удельная энергоемкость процесса ГСЦ, наоборот, сначала уменьшается, достигая своего минимума, а потом возрастает, т. е. изменяются по зависимостям близким к параболическим. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива G0 (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ E0 ) соответствует рациональной скорости перемещения буровой колонны. Такой характер изменения показателей процесса G0 и E0 объясняется тем, что большему значению D соответс твует меньшее значения V и, наоборот, большему значению V соответствует меньшее значение D. Поэтому произведение этих величин на границах исследованного диапазона изменения V меньше значений произведения в середине диапазона.

Установлено, что значения рациональной скорости перемещения буровой колонны с увеличением d0 от 0,0020 до 0,0030 м возрастают в среднем в 1,3 раза и практически не зависят от коэффициента сцепления горных пород.

Увеличение час тоты вращения буровой колонны также приводит к возрастанию рациональной скорости ее перемещения, но гораздо в меньшей степени, а именно: при повышении частоты вращения от 0,17 до 0,33 с-1 значения рациональной скорости перемещения увеличиваются в 1,1 раза.

Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость рациональной скорости перемещения буровой колонны от диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны:

Vрац = 0,16 d 0,55n 0,10. (10) Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,97, а критерий Фишера F=46,7. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (10) при 5% уровне значимос ти составляет F0,05= 4,06, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар= 7,7%, 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 методов теории вероятностей и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количес твенную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.

Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива D зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения буровой колонны V, давление водоцементной суспензии P, частота вращения буровой колонны n, диаметр отверстия струеформирующей насадки d0, коэффициент сцепления С.

Кроме того, на процесс ГСЦ также оказывают влияние коэффициент расхода суспензии через насадку, плотнос ть водоцементной суспензии и диаметр пилотной скважины D0.

Таким образом, зависимость между диаметром закрепляемого массива и параметрами ГСЦ горных пород можно представить в виде D = f1(D0,,,d0,P,V,n,С). (11) Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр 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:, D0 и. С учетом постоянс тва этих факторов выражение (11) будет иметь следующий вид:

D = f2 (d0,P,V,n,С). (12) В табл. 2 указаны диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ горных пород.

Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива D, м, 1,03 1,Р dD = 1,09. (13) 0,V С0,25 n0,Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,89, критерий Фишера F = 148,2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (13) при 5% уровне значимости составляет F0,05= 3,96, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар= 15,7, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






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