.

Теоретичні та прикладні основи струминного закріплення слабких дисперсних порід при веденні гірничих робіт: Автореф. дис… д-ра техн. наук / С.Ф. Вла

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2878
Скачать документ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

ВЛАСОВ Сергій Федорович

УДК 622.267.023.67:624.138.4

ТЕОРЕТИЧНІ ТА ПРИКЛАДНІ ОСНОВИ
СТРУМИННОГО ЗАКРІПЛЕННЯ СЛАБКИХ ДИСПЕРСНИХ ПОРІД
ПРИ ВЕДЕННІ ГІРНИЧИХ РОБІТ

Спеціальність 05.15.09 – ”Механіка грунтів і гірських порід”

А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Дніпропетровськ
1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національній гірничій академії України.

Науковий консультант:
Лауреат Державної премії України, БОНДАРЕНКО
доктор технічних наук, професор, проректор Володимир
Національної гірничої академії України Ілліч

Офіційні опоненти:
Лауреат Державної премії України, ЗОРІН
доктор технічних наук, професор, завідувач Андрій
відділу управління динамічними проявами Микитович
гірського тиску Інституту геотехнічної
механіки НАН України

доктор технічних наук, професор, ЛИТВИНСЬКИЙ
завідувач кафедри будівництва шахт Гаррі
і підземних споруд Донбаського Григорович
гірничо-металургійного інституту

доктор технічних наук, старший науковий
співробітник, професор кафедри основ ШАПОВАЛ
і фундаментів Придніпровської державної Володимир
академії будівництва й архітектури Григорович

Провідна установа – Криворізький державний технічний університет

Захист відбудеться “ 20 ” травня 1999 р. о 14-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України ( 320027, Дніпропетровськ, пр.Карла Маркса, 19, т. 47-24-11 ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України( 320027, Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 19 квітня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
докт. техн. наук А.М. Роєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми В умовах інтенсивного розвитку мега-полісів, що перетворюються на екологічно небезпечні зони, важлива роль у рішенні загальної проблеми освоєння підземного простору великих міст України відводиться спеціальним способам закріплення слабких дисперс-них порід. Дана проблема актуальна для таких міст, як Київ, Харків, Дніпропетровськ, Одеса, Донецьк, Львів, Кривий Ріг, Запоріжжя та ін.
Слід зазначити, що великі міста України розташовані на територіях, які характеризуються складними гідрогеологічними умовами і рельєфом. Приблизно 70% із них побудовані на осадових лесових породах, рівень грунтових вод в яких щорічно підвищується в середньому на 1 м, що, у свою чергу, інтенсифікує зсувні і суфозійні процеси.
Обводнені дисперсні породи під дією різних чинників, таких як тиск, наявність глинистої фракції та ін., набувають пливунних властивостей і вимагають спеціальних способів проведення гірничих виробок; зменшують стійкість і викликають деформацію підземних споруд, значно знижують темпи будівництва, а часом зупиняють виробництво робіт внаслідок проривів порід у вироблений простір. Так, щорічно тільки при будівництві Дніпропетровського метрополітену відбуваються прориви порід у виробки при їхній проходці об’ємом до 2500 м3, що зменшує швидкість проведення тунелів до 1,5 тис. м за рік і збільшує витрати на їхню ліквідацію, які складають понад 1200000 грн. за рік. Аналогічна картина спостерігається в ході спорудження Київського і Харківського метрополітенів. У цілому в Україні різними способами закріплюється до 10 тис. м3 порід за рік.
Результати досліджень і даних практики за останні двадцять років дозволяють зробити висновок про необхідність розробки більш ефектив-них, технологічних і універсальних засобів закріплення, що забезпечують необхідну безпеку ведення гірничих робіт у дисперсних осадочних поро-дах. Ця проблема може бути ефективно вирішена за допомогою струмин-ної технології закріплення дисперсних порід. Однак керована зміна влас-тивостей цих порід при вирішенні різних гірничотехнічних завдань немож-лива без наукових знань про процес проникання високонапірного струменя в дисперсні породи і про фізико-хімічну природу міцності закріплених порід. У зв’язку з цим у дисертаційній роботі сформульована актуальна науково-прикладна проблема освоєння підземного простору великих міст України у складних гідрогеологічних умовах на основі керованої зміни властивостей дисперсних порід за допомогою струминної технології їх закріплення.
Дослідження, результати яких подані в дисертації, виконані в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України № 4 “Екологіч-но чиста енергетика і ресурсозберігаюча технологія”, відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти України і програми № 20 “Розробити і впровадити ресурсозберігаючі та економічно чисті технології видобутку й переробки вугілля”, а також координаційного плану № 39 Міносвіти України за фундаментальними напрямками “Гірничі науки” у 1992 -1998 рр. (теми ГП-71, ГП-186, ГП-239).
Мета роботи – теоретичне обгрунтування, розробка і практичне застосування засобів і способів струминного закріплення дисперсних порід з використанням процесу, який описується основними законами механіки суцільного середовища в рамках теорії турбулентних струменів, що забезпечують підвищення ефективності ведення гірничих робіт.
Для досягнення зазначеної цілі в дисертації ставляться і вирішуються такі завдання:
1. Розробити теорію і методи розрахунку глибини проникання ви-соконапірного струменя в слабку дисперсну породу з урахуванням густоти закріпляючих розчинів, а також щільності й ударної в’язкості породи, що обробляється.
2. Виявити закономірності впливу фізичних (густоти закріпляючого розчину й щільності і ударної в’язкості оброблюваної дисперсної породи) і технологічних (діаметр сопла, час дії струменя, витрати закріпляючого розчину, швидкість підняття й обертання робочого інструмента) пара-метрів на процес проникання високонапірних струменів закріпляючих розчинів у дисперсні породи і на цій основі розробити класифікацію цих порід.
3. Установити закономірності зміни глибини проникання струменя залежно від тиску і витрати закріпляючого розчину, швидкості обертання й підняття монітору; розробити програму визначення технологічних пара-метрів струминного закріплення порід.
4. Визначити раціональні рецептури закріпляючих розчинів, що забезпечують необхідні технологічні параметри струминного закріплення зв’язних і незв’язних дисперсних порід.
5. Розробити способи струминного закріплення дисперсних порід, що забезпечують повну гідроізоляцію підземних об’єктів.
6. Розробити експериментальну установку для струминного за-кріплення дисперсних порід, що дозволяє вирішувати різні гірничотех-нічні завдання гідроізоляції підземних об’єктів з поверхні.
7. Створити і впровадити технології спорудження підземних об’єктів із використанням струминного закріплення слабких дисперсних порід, що забезпечують необоротні зміни властивостей останніх.
Основна ідея роботи полягає в руйнуванні високонапірними струменями слабких дисперсних порід із наступним формуванням нової структури за участю матеріалу струменя, що забезпечує підвищену міцність порід.
Наукові положення і результати, що захищаються, іхня новизна
Наукові положення, що виносятся на захист:
1. Ударна в’язкість дисперсних порід із збільшенням вологості від сухого стану (W=0%) до повного водонасичення (W=25%) у зв’язних порід зменшується за гіперболічним законом з 400 до 350 Дж/м2; у незв’язних – збільшується за лінійним законом з 400 до 460 Дж/м2. Це дозволяє вибирати оптимальні параметри закріплення, виходячи із одного з головних показників – ступеня вологості породи.
2. Глибина проникання високонапірного струменя закріпляючого розчину в слабку дисперсну породу зі збільшенням ударної в’язкості породи і функції турбулентності струменя зменшується в гіперболічній залежності. У свою чергу, функція турбулентності струменя зв’язана пара-болічною залежністю із співвідношенням густоти струменів закріпляючого розчину і щільності породи. Це положення лягло в основу класифікації дисперсних порід залежно від глибини проникання в них високонапірних струменів, що дозволяє диференційовано підходити до закріплення різних порід.
Наукові результати:
1. Створена теорія розрахунку робочих параметрів струминної техно-логії закріплення слабких дисперсних порід виходячи із співвідношення густоти закріпляючого розчину й щільності оброблюваної породи, ударної в’язкості цієї породи, швидкості підняття й обертання робочого інстру-мента, витрачання і тиску закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь. Властивості породи, що закріплюється за допомогою струминної технології, які раніше розглядалися в рамках теорії динаміки грунтів, уперше були описані за допомогою теорії турбулентних струменів. Це дозволило при визначенні глибини проникання струменів у породу врахувати турбулентний характер її поширення й установити залежність зміни швидкості струменя уздовж осі його поширення.
2. Установлені граничні умови проникання високонапірного стру-меня закріпляючого розчину в слабку дисперсну породу (мінімальні енер-гія і кількість руху для зруйнування дисперсної породи), що дозволяє виз-начати кінцеву глибину поширення струменя розчину в цій породі.
3. Уперше введене поняття “ударна в’язкість” для характеристики слабких дисперсних порід. Для проведення досліджень по визначенню ударної в’язкості цих порід була розроблена спеціальна методика і ство-рена лабораторна установка, що дозволило одержати залежності значень ударної в’язкості від ступеня вологості для зв’язних і незв’язних дис-персних порід. Установлено, що ударна в’язкість у зв’язних порід при збільшенні вологості до 25% зменшується на 50-80 Дж/м2 за рахунок ослаблення поверхневих зв’язків між частками породи, а в незв’язних – зростає на 40-60 Дж/м2 за рахунок збільшення поверхневих сил у міжпоро-вому просторі дисперсної породи.
4. Розроблена класифікація слабких дисперсних порід залежно від глибини проникання в них високонапірного струменя закріпляючого роз-чину, що враховує ударну в’язкість цих порід і дозволяє робити попередній вибір способів і технологічних параметрів струминного закріплення.
5. Отримана залежність експериментальної функції – складової теорії турбулентних струменів – від співвідношення густоти двох середовищ, які перемішуються, що дозволило врахувати в теоретичних розрахунках різ-ницю між густотою струменя закріпляючого розчину і щільністью закріп-люваної породи.
6. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень різних форм і геометричних розмірів насадок, які можна застосовувати при струминній технології закріплення дисперсних порід, були обгрунтовані і визначені раціональні геометричні розміри і форми насадок, що запо- бігають виникненню явища кавітації при високих тисках і забезпечують оптимальну якість струменя.
7. Сформульована нова критеріальна залежність, що містить видо-змінений критерій Рейнольдса, критерій Фур’є і критерій, який описує співвідношення густини закріпляючого розчину й оброблюваної породи, що дозволяє розраховувати тиск нагнітання і витрати закріпляючого розчину, час дії і глибину проникання струменя для натурних умов, вихо-дячи із даних, отриманих у процесі моделювання.
8. На підставі лабораторних досліджень визначене оптимальне водо-цементне співвідношення суспензій на цементному базисі, застосовуваних для струминної технології закріплення дисперсних порід. Отримане спів-відношення забезпечує необхідну міцність закріпленої породи.
9. Установлені закономірності впливу якості і кількості закріп-ляючих розчинів на міцність породоцементних елементів, що дозволяють визначати раціональні параметри (швидкість обертання і підняття робочого інструмента, тиск і витрату закріпляючого розчину) процесу закріплення під час розв’язування різних гірничотехнічних задач.
10. Отримані нові закономірності глибини проникання високонапір-ного струменя у слабкі дисперсні породи залежно від співвідношень густи-ни закріпляючого розчину й оброблюваної породи, ударної в’язкості цієї породи, швидкостей підняття та обертання робочого інструмента, витрати і тиску струменя закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь, які дозволили розробити способи струминного закріп-лення порід, підтверджені патентами України.
Методи дослідження. У роботі здійснений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень на основі узагальнення відомих сучасних досягнень науки і техніки із названої проблеми. У галузі теоретичних досліджень використовувалися теорії: турбулентних струменів, прикордо-нного шару, динаміки грунтів, розмірностей і подібності; методи мате-матичного моделювання, диференціальні методи рішення рівнянь гідро-механіки. У галузі експериментальних досліджень застосовувалися: лабо-раторне моделювання процесів проникання високонапірного струменя в слабкі гірські дисперсні породи, лабораторні методи визначення коефі-цієнта ударної в’язкості для слабких дисперсних порід. Експериментальні дані оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики із вико-ристанням різних регресійних моделей.
Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються застосуванням основ теорії і практики гірничих робіт і використанням математичних моделей, що базуються на фундаментальних положеннях теорії прикордонного шару, теорії динаміки грунтів, теорії розмірностей і подібності; узгодженістю розробленої теорії розрахунку технологічних параметрів струминного закріплення слабких дисперсних порід із фізичними уявленнями про перебіг процесів зруй-нування й перемішування породи струменями закріпляючого розчину; задовільною збіжністю результатів теоретичних, натурних і експеримен-тальних досліджень (розбіжність не перевищує 12% ); достатньою апроба-цією наукових положень і висновків роботи, успішним упровадженням результатів у практику.
Наукова новизна роботи полягає в узагальненні різних теорій тур-булентних струменів, що дозволило застосувати константу турбулентності струменя і значення товщини зони змішання струменів для розробки теорії проникання струменя; у використанні реологічних моделей дисперсних порід для створення комплексної моделі, що описує поведінку слабкої дисперсної породи при прониканні в неї високонапірного струменя; у розробці теорії проникання високонапірного струменя в дисперсні породи; у розвитку методів визначення ударної в’язкості незв’язних порід; у розробці методики моделювання процесів проникання високонапірного струменя в дисперсні породи; у встановленні закономірностей зміни міц-ності закріпленого елемента залежно від відсоткового вмісту в ньому закріпляючого розчину для зв’язних і незв’язних порід, що, у свою чергу, дозволило обгрунтувати вибір раціональних технологічних параметрів струминної технології закріплення дисперсних порід, які забезпечують підвищення ефективності ведення гірничих робіт.
Практичне значення роботи полягає в такому:
– розроблені основи керування властивостями і станом слабких дисперсних порід високонапірними струменями закріпляючих розчинів, що дозволило створити ефективні способи (патенти № 1ОЗЗЗ А; 10392 А; 15071 А;20380 A), технологію та засоби струминного закріплення, які за-безпечують необхідну безпеку при вирішенні різних гірничотехнічних зав-дань у процесі освоєння підземного простору міст України;
– створені комп’ютерні програми по визначенню технологічних пара-метрів і раціональні схеми струминного закріплення порід для проведення вертикальних стволів і горизонтальних виробок неглибокого закладення, спорудження гідроізоляційної завіси навколо підземних камер, закріплення основ під будівлями й спорудами. Технологічні схеми погоджені інсти-тутом Дніпродіпрошахт і затверджені ДонВуГІ (1997 р.);
– розроблений, змонтований і випробуваний у полігонних умовах дослідний зразок установки по струминному закріпленню дисперсних по-рід на базі бурової УРБ-2А-2 і шасі ЗИЛ-131, що дозволяє виконувати ро-боти по закріпленню з поверхні на глибину до 30 м;
– результати досліджень у вигляді рекомендацій впроваджені в про-екти Дніпродіпрошахт, Дніпрометропроект і Метротунельбудеко. Резуль-тати досліджень пройшли технологічну апробацію у фірмі “Бауер” (Німеч-чина) при будівництві Берлінського метрополітену (1996 р.);
– проведені випробування експериментальної установки при закріп-ленні пісків на трасі станції відкритого закладення “Набережна ім. Леніна” Дніпропетровського метрополітену, що підтверджують обгрунтованість і вірогідність наукових результатів, висновків і рекомендацій.
Реалізація результатів і рекомендацій роботи
Результати виконаних досліджень реалізовані в ряді проектних інс-титутів України.
Комп’ютерні програми визначення глибини проникнення закріпляю-чих розчинів у дисперсні породи з різними міцнісними властивостями (ударна в’язкість) залежно від тиску нагнітання цих розчинів, швидкостей обертання і підняття монітора використані під час розробки рекомендацій для складання проекту гідроізоляційних завіс в обводнених лесах із ви-користанням струминної технології закріплення при спорудженні пішохід-ного переходу на ж/м “Тополя” в Дніпропетровську (Дніпрометпроект, довідка про впровадження від 05.12.98). Спільно із Дніпрометпроектом бу-ли виконані промислові випробування експериментального зразка установ-ки струминного закріплення порід на майданчикові майбутньої станції відкритого закладення метро “Набережна ім. Леніна” в м. Дніпро-петровську (акт випробувань від 05.12.98). Результати досліджень ви-користані при розробці проектних пропозицій щодо спорудження захисної оболонки навколо ствола № 29 Харківського метро за допомогою струми-нного закріплення порід, що передані Метротунельбудеко для виконання проектних робіт (довідка про використання матеріалів докторської дисер-тації та проектні пропозиції від 10.11.98 ), проектні пропозиції щодо спорудження захисної оболонки навколо ствола типового перерізу за допо-могою струминного закріплення дисперсних порід використовуються інститутом Дніпродіпрошахт у проектах, що розробляються (довідка про використання проектних пропозицій від 21.11.98).
Декларація конкретного особистого внеску здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист, полягає у формулюванні нау-кової проблеми, мети, наукових положень і завдань досліджень; розробці теоретичних основ струминного закріплення дисперсних порід; розробці класифікації дисперсних порід; визначенні раціонального водоцементного співвідношення в цементних суспензіях; установленні закономірностей впливу якості і кількості закріпляючих розчинів на міцність породоце-ментних елементів; розробці способів, засобів і технології закріплення; упровадженні результатів досліджень.
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзних наукових, науково-технічних конференціях з проблем інтенсифікації гірничорудного вироб-ництва (Апатити – 1991 р., Свердловськ – 1991 р.); на Міжнародному симпозіумі по освоєнню родовищ мінеральних ресурсів і підземного будів-ництва в складних гідрогеологічних умовах (Бєлгород – 1995 р.); на Міжна-родних науково-технічних конференціях по ресурсозбереженню й екології промислового регіону ( Дніпропетровськ – 1993 р., Макіївка – 1996 р.); на Міжнародній конференції з проблем і перспектив освоєння підземного простору великих міст України (Дніпропетровськ-1996, 1997 рр, Сімфе-рополь – 1998 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя – проблеми та перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Дніпропетровськ – 1998 р.); на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ і науково-технічній раді Проблемної науково-дослідної лабораторії №1 Національної гірничої академії України.
Публікації. За темою дисертації здобувачем опубліковано 40 дру-кованих робіт, у тому числі: монографія – 1; статті у спеціалізованих жур-налах – 17; патенти – 5; тези доповідей – 15; депоновані статті – 2.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновку, списку використаних джерел зі 148 найменувань на 13 сторінках, містить 220 сторінок машинописного тексту, 75 рисунків на 68 сторінках, 36 таблиць на 23 сторінках і додатки на 35 сторінках; загальний обсяг -359 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дослідження і розробок, сфор-мульовані наукова проблема, мета і завдання дослідження, відображена наукова новизна і практичні результати, наведені положення, що вино-сяться на захист, а також дані по апробації та публікації досліджень.
У першому розділі розглянуті чинники, що підтверджують доціль-ність освоєння підземного простору великих міст, серед яких економічні, соціальні, технічні і природоохоронні. До останніх належать цілість ланд-шафту, економія землі, і в першу чергу сільгоспугідь; зниження рівня за-бруднення атмосфери за рахунок концентрації й очищення викидів; ведення видобутку корисних копалин з одночасним підготуванням виро-біток для розміщення підземних об’єктів. Технічні чинники означають, що за рахунок освоєння підземного простору можна обмежити розріст міських територій, скоротити протяжність доріг і вулиць, інженерних комунікацій, зменшити витрати на їхню експлуатацію, раціонально організувати систе-му транспорту, підвищити швидкість пересування містом. Соціальні пере-бувають у можливості підвищити комфортність праці та знизити захво-рюваність завдяки відсутності різких перепадів температур, підвищити рівень захищеності устаткування і персоналу від зовнішніх несприятливих впливів; знизити втрати продукції при збереженні у стабільних темпе-ратурному і вологосному режимах та ін. До економічних чинників можна віднести зниження капіталовкладень за рахунок економії матеріалів і вико-ристання гірських порід як конструкції або сировини, а також зниження експлуатаційних витрат за рахунок прибутку від використання багато-функціональних центрів.
Виконаний аналіз природних і техногенних чинників, що впливають на ефективність освоєння підземного простору міст. Природна група чин-ників включає елементи геолого-геоморфологічної будови території міст (особливості геологічного і литологічного складу порід, розчленованість і уклони рельєфу), що в сукупності визначають інтенсивність поверхневого і підземного стоку, інфільтрацію води у грунт і, отже, схильність порід до обводнювання в умовах забудови території. Наявність техногенної групи чинників обумовлена функціонуванням водогосподарчих об’єктів і водо-несучих комунікацій промислового призначення та міського госпо-дарства, інженерною організацією і благоустрієм території, осіданнями земної поверхні на ділянках, підроблюваних виробками і т.п. Всі ці чин-ники визначають застосування спеціальних способів зведення підземних будівель і споруд, вибір яких крім інженерно-геологічних і техногенних умов визначають глибина закладення, місце розташування, а також осна-щеність будівельних організацій необхідними машинами й устаткуванням. Крім того, будівництво під незабудованою територією ведеться відкритим способом (котлованний, опускний, “стіна в грунті”), а під забудованою -закритим (гірничий і щитовий). Стіна в грунті може споруджуватися за допомогою монолітного, збірного і збірно-монолітного залізобетону або ж струминним способом. При застосуванні спеціальних способів (заморо-жування, хімічний, фізико-хімічний, струминний) для будівництва підзем-них споруд роботи можуть вестися як з поверхні (відкритий), так і із забою (закритий). Для зазначених способів виходячи з критеріїв технологічності й економічності були визначені галузі застосування, розглянуті досто-їнства і недоліки, обгрунтована необхідність розробки струминної техно-логії закріплення, що дозволяє гарантувати якість, економічну ефектив-ність, технологічність і безпеку ведення гірничих робіт. Оскільки струмин-не закріплення дисперсних порід засноване на використанні високо-напірних струменів закріпляючого розчину, що руйнують і перемішують ці породи із подальшим їхнім омонолічуванням, то був розглянутий сучас-ний стан досліджень у цій галузі.
Значний внесок у вивчення процесів руйнування гірських порід ви- соконапірними струменями зробили: Г.П. Ніконов, Г.О. Нурак, В.І. Те-рентьєв, Г.В. Коратаев, В.Ф. Хникін, А.Н. Ледгінцев, Г.М. Веселов, С.Е. Шавловський, В.Д. Мосін, Н.В. Дмитрієв, М.Ф. Хасін, Л. І. Малишев, Б.С. Федоров, Л.В. Петросян, Л.І. Смородинов, В. М. Абрамович, Бай Шин, В.М. Корольков, А.Я. Сагомонян.
При обгрунтуванні застосування струминних методів закріплення дисперсних порід з метою освоєння підземного простору великих міст України виникла необхідність виконати комплекс взаємозалежних дос-ліджень, що включають: вивчення процесу проникання струменів у породу в рамках теорії динаміки грунтів і теорії струменів; дослідження теорії струменів при розробці теоретичних основ процесу проникання високо-напірного струменя в дисперсні породи; оцінку ступеня впливу різних параметрів для одержання критеріальної залежності процесу проникання; визначення ударної в’язкості рідин і дисперсних порід, дослідження влас-тивостей закріпляючих розчинів і розробку нових рецептур; установлення залежності впливу закріпляючих розчинів на міцносні властивості оброб-люваних порід; створення і впровадження нетрадиційних технологій за-кріплення дисперсних порід і устаткування, що забезпечують дотримання норм по охороні надр і навколишнього середовища.
У другому розділі виконане обгрунтування фізичної моделі процесу проникання високонапірного струменя в слабку породу. Для цього процес проникання вивчався в рамках механіки суцільних середовищ, що доз-волило розглянути його за допомогою теорії динаміки грунтів. На підставі аналізу різних моделей напружено-деформованого стану різних середовищ дисперсна порода представляється як тугов’язкопластичне середовище. Оскільки співвідношення між тензором напружень і швидкістю деформації для цих середовищ має той же характер, що й для ньютонівських рідин, а пружна складової деформації при струминному закріпленні порід значно мала порівняно із розміром високопластичної деформації, то процес про- никання високонапірного струменя в слабкі породи можна моделювати за допомогою процесу проникання рідини меншої густини в рідину більшої густини. Таким чином, виконаний аналіз теорії динаміки грунтів дозволяє зробити висновок про можливість вивчення цього процесу із погляду тео-рії струминних течій.
Сутність цієї теорії полягає в тому, що вона розглядає процеси, які відбуваються при прониканні потоку однієї рідини в іншу або при змі-шанні двох потоків, що текуть із різною швидкістю в одному або різних напрямках.
Розглядаючи схему поширення струменя рідини в слабкій дис-персній породі за умови, що сума усіх витрат у зоні руйнування повинна дорівнювати нулю, одержимо:

, (1)
де – густина рідини, кг/м3; – швидкість руйнування породи, м/с; – вихідний радіус насадки, м; – відстань, на яку звужується основ-ний потік, взаємодіючи із породою, м; – густина породи, кг/м3; – відстань, на яку порода втягується в прямий потік, м; – швидкість по-току рідини із породою, м/с; – поточна швидкість рідини, м/с .
Оскільки проникання в породу відбувається із великою початковою швидкістю, то в першому наближенні можна прийняти, що
.

Тоді з рівняння (1) одержимо
. (2)
Для визначення мінімальної швидкості, при якій можливе зруйну-вання породи, запишемо рівняння енергії для тих же умов.
Енергія рідини в зоні руйнування породи
, (3)
де S – одиниця глибини руйнування, м.
Енергія рідини з породою
. (4)
Енергія, необхідна для зруйнування.

(5)

де – коефіцієнт ударної в’язкості гірської породи, Дж/м2.
Виходячи з того що процес руйнування швидкоплинний, припускає-мо, що він адіабатний, тобто відбувається без обміну енергією з навко-лишнім середовищем. Тоді можемо записати:
+ =
= . (6)

У першому наближенні, приймаючи , одержимо
, (7)
де – вихідний діаметр насадки, м.
Формула (7) описує граничні умови проникання струменя в породу. При швидкості струменя меншій проникання припиняється.
Для того щоб визначити закон зміни швидкості струменя вздовж її осі, був розглянутий ряд теорій турбулентного затопленого струменя, як-от: стара і нова теорії турбулентності Прандтля, теорія вільної турбу-лентності Тейлора і турбулентного перемішування Рейхарда. З аналізу цих теорій випливає, що товщина зони змішання струменя зі спутним потоком прямо пропорційна відстані, на яку поширюється струмінь:
, (8)
де – товщина зони змішання, м; ; – початкова і кінцева швидкості на осі струменя, м/с.
Аналіз турбулентної теорії Абрамовича і рівняння сталості кількості руху в різних перетинах струменя дозволив одержати формулу залежності швидкості поширення турбулентного струменя

. (9)
Ця швидкість залежить від швидкості виходу струменя із сопла ( ), відстані від вихідного до досліджуваного перетину ( ) і радіуса сопла ( ), що формує струмінь. Формула отримана для випадку, коли струмінь ріди-ни поширюється в тій самій рідині. Численні експерименти дають зна-чення довільної функції с = 0,22. Для того щоб прийняти її для умов, коли густина речовини струменя менша за густину рідини, необхідно було дос-ліджувати зміну функції с, провівши ряд експериментів у модельних сере-довищах.
Третій розділ присвячений обгрунтуванню параметрів моделювання процесу проникання високонапірного струменя в слабку породу. Цей про-цес можна описати такою параметричною залежністю:
, (10)
де -дальність поширення струменя, м; – діаметр насадки, м; -час дії струменя; – густина речовини струменя, кг/м3; – щільність гірської породи, що руйнується, кг/м3; – ударна в’язкість породи, Дж/м2; – витрата речовини струменя, кг/м3.
За допомогою теорії розмірностей і подібності отримана крите-ріальна залежність, що описує цей процес,

, (11)
де – видозмінений критерій гомохронності, тобто безрозмірний час; – видозмінений критерій Рейнольдса, тобто відношення сил інерції до сил в’язкості. Критерій показує співвідношення щільності породи, що руйнується, і густини речовини струменя.
З формули (9) випливає, що

, (12)
де – початкова швидкість на виході із насадки, м/c; – максимальна швидкість у різних перетинах струменя, м/с.
Підставивши у формулу (12) замість значення (7), одержимо вираз для визначення максимальної глибини проникання струменя

. (13)
Оскільки
, (14)
де – коефіцієнт витрати сопла, то, підставивши (14) у (13), отримаємо
, (15)
або
. (16)

При досягненні процес стає сталим і незалежним від t , тому в степені нуль.
Таким чином, для визначення необхідно було обчислити й установити закон, відповідно до якого .
Коефіцієнт ударної в’язкості , що представляє собою співвід-ношення витраченої енергії (роботи) і площі поперечного перерізу зразка, що руйнується, уперше використаний для випадку слабких дисперсних порід. Цією узагальнюючою характеристикою описується для дисперсних порід процес подолання початкової міцності внутрішнього тертя, а для рідин – процес взаємодії між шарами внаслідок в’язкості. Для проведення досліджень по визначенню цих порід була розроблена методика і ство-рена лабораторна установка, на якій уперше були отримані залежності ударної в’язкості від ступеня вологості зв’язних і незв’язних дисперсних по-рід (рис. 1.) .
Було встановлено, що ударна в’язкість при збільшенні вологості до 25 % у зв’язних порід зменшується на 50-80 Дж/м2 за рахунок ослаблення поверхневих зв’язків між частками породи, а в незв’язних – зростає на 40-60 Дж/м2 за рахунок збільшення поверхневих сил у міжпоровому просторі дисперсної породи. На підставі вищевикладених досліджень розроблена класифікація порід за ступенем їхної проникності (табл. 1).
Коефіцієнт витрати сопла визначили експериментальним шляхом, для чого використали формули
, (17)
де – швидкість витікання рідини із сопла, отримана експериментально, м/с;
, (18)
де – швидкість, отримана теоретично, м/с;

, (19)

де Р0 – надлишковий тиск нагнітання рідини, Па; – густина рідини, кг/м3;
V – об’єм, на який збільшилася кількість рідини в моделі, м3; t – час витіка-ння струменя, с; -діаметр насадки, м.
Встановлено, що для =15 мм =0,39; =10 мм =0,63; =0,5 мм =0,9, тобто розмір прямо пропорційний .
Внаслідок експериментальних досліджень отриманий параболічний закон зміни експериментальної функції c залежно від співвідношення густини двох середовищ , що перемішуються:

, (20)

що дозволило врахувати в теоретичних розрахунках відмінність густини струменя закріпляючого розчину від щільності закріплюваної породи.
0

O – точка підвісу маятника; – маса маятника; – довжина маятника зі стрижнем, на якому він підвішений; – площа поперечного перетину рідини або породи, через яку проходить маятник; – висота заповнення ємності; – висота установки маятника; – кут відхилення маятника до удару; – кут відхилення маятника після удару;
Рис. 1. Схема установки для визначення ударної в’язкості рідин і незв’язних порід
Таблиця 1 – Класифікація порід за ступенем проникності

Дисперсні породи Коефіцієнт ударної
в’язкості
при =2%,
Дж/м2 Відносна
глибина проникан-
ня струменя порів-няно із проникан-ням у глину
Ступінь проникно-сті порід

Класи Групи
1 Глинясті породи Зв’язні > 400 1-1, 5 Важко- проникні
Глина 604 1
Лесовидний суглинок 480 1.13
Лес 447 1.17
2 Піски мілкозернисті Незв’язні 100-400 1.5-3 Середньо- проникні
Піски нерозчлененого неогену 239 1.59
Піски харківської світи 129 2.18
Середньоміоце-нові піски 96 2.59
3 Піски крупнозернисті Незв’язні 3 Легко- проникні
Піски бучакської світи 55
3.48
Нижньосармат-ські піски 47
3.81
Піски київської світи 31
4.45

На підставі вищевикладеного була розроблена методика перерахування експериментальних даних для умов натурного процесу. В основу ме-тодики покладений той факт, що критерії, які описують два подібних процеси, також повинні бути подібними.
Однак варто підкреслити, що дослідження виконувалися для умови, коли струмінь закріпляючого розчину проникав в слабку породу із нерухомо закріпленого сопла. При практичній роботі монітор обертається навколо своєї осі і, крім того, піднімається зі свердловини. Отже, час дії струменя в одному напрямку визначається швидкістю обертання робочого інструмента навколо своєї осі (об/с) і швидкістю підняття монітора зі свердловини (м/с).
У результаті серії експериментів установлені нові закономірності проникання високонапірних струменів у дисперсні породи залежно від співвідношення густини закріпляючого розчину й щільності оброблюваної породи, ударної в’язкості цієї породи, швидкості підняття й обертання робочого інструмента, витрачання і тиску струменя закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь:
, (21)
де k = 1 при , якщо час підняття робочого інструмента на висоту менше або дорівнює часу Т одного обороту робочого інстру-мента; при , якщо більше часу Т одного оборо-ту робочого інструмента.
На рис.2 наведені різні випадки закріплення залежно від спів-відношення швидкостей підняття й обертання робочого інструмента. На рисунку прийняті такі позначення:
L – смужка, що закріплюється за один оборот. Аналіз системи фор-мул, що описують прикордонний шар струменя у зустрічному потоці, по-казує, що ця смужка має розміри ;
L1 -відстань, на яку робочий пристрій піднімається за один оборот. Природно, що ця відстань є функцією від швидкості підняття робочого інструмента ;
h – радіус закріпленої зони. У першому випадку смужка закріплю-ється більше одного разу і радіус закріпленої зони залежить від швидкості підняття робочого інструмента . Цей випадок є небажаним, тому що веде до зайвої витрати закріпляючого розчину і збільшення часу робіт. У другому випадку L= L1 . Це означає, що кожна ділянка закріплюється тільки один раз і весь об’єм породи є закріпленим. При цьому . У третьому випадку, як і в другому, L

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019