Введение к работе
Актуальность работы. Все более возрастающая плотность городского строительства и прокладываемых подземных коммуникаций привела к широкому применению технических средств, реализующих различные бестраншейные технологии. Наиболее востребованными и, как следствие, распространенными среди них оказались технологии горизонтально-направленного бурения и прокола. Они позволяют проводить выработки малого сечения как прямолинейной, так и криволинейной траекторий. При этом сохраняется общая устойчивость грунтового массива, а влияние развиваемых при уплотнении напряжений распространяется в пределах 5 - 6 диаметров скважины в направлении, перпендикулярном оси выработки. Увеличивающаяся плотность подземных коммуникаций обусловила необходимость исключения их взаимовлияния, а плотность поверхностной застройки – приоритетность забуривания с поверхности. Следствием этих факторов являются повышенные требования к точности и управляемости процесса создания криволинейной скважины. Одним из простых и перспективных способов создания таких скважин является использование несимметричного рабочего инструмента цилиндрической формы со скосом (цилиндр рассечен наклонной плоскостью под углом к его оси). Точность в управлении здесь достигается путем совершенствования механизмов обратной связи, определяющих информацию о текущем местоположении и ориентации рабочего инструмента при создании криволинейной скважины в заданных горногеологических условиях и с учетом режимных и конструктивных параметров как его, так и самой установки. Механизмы обратной связи постоянно совершенствуются и на данном этапе представлены образцами, обеспечивающими высокую точность. Однако в развитии методов расчета показателей процесса прокола существует определенный вакуум, связанный со сложностью учета изменения как траектории, так и нагруженности рабочего инструмента при преодолении препятствий и, как следствие, при прокладке коммуникаций наиболее весомую роль играет опыт оператора прокалывающей установки. Обусловлено это главным образом отсутствием экспериментально обоснованного и достаточно полного математического описания процесса взаимодействия проходческого става, оснащенного несимметричным рабочим инструментом, с грунтовым массивом на основе современных представлений о механике грунтов и теории пластичности, что, в конечном счете, и определяет актуальность работы.
Цель работы. Обоснование параметров и определение показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин на основе установленных закономерностей взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с грунтом для совершенствования метода расчета, направленного на повышение эффективности применения прокалывающих установок.
Идея работы. Повышение эффективности прокалывающих установок достигается применением несимметричного рабочего инструмента при создании криволинейных скважин с учетом установленных закономерностей взаимодействия его с грунтом, выявленных как путем математического моделиро-
вания на основе современных представлений о механике грунтов и теории пластичности, так и экспериментально.
Метод исследования – комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта использования способов и средств при создании скважин в грунтах, а также результатов ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований процесса прокола; методы механики грунтов и теории пластичности; теоретические исследования на базе математического моделирования взаимодействия рабочего инструмента проходческого става с грунтовым массивом; проведение экспериментальных исследований и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики; сопоставление теоретических, расчетных и экспериментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
- математическое моделирование взаимодействия рабочего инструмента
(конуса) проходческого става с грунтом основывается на рассмотрении послед
него как области течения жесткопластической среды с постоянными начальной
плотностью, сопротивлением сдвигу, относительным уплотнением значительно
меньшим единицы и радиальным течением, намного превосходящим окружное
течение, представляющей собой шар с вырезанным конусом, обусловливаю
щим избыточное давление, характеризующее ее среднее напряжение;
- определение нагруженности симметричного рабочего инструмента (ко
нуса) осуществляется по установленной зависимости, учитывающей геометрию
инструмента и прочностные характеристики грунта и на которой базируется
расчет несимметричного рабочего инструмента;
- определение нагруженности несимметричного рабочего инструмента
достигается решением системы двух уравнений, связывающей усилие уплотне
ния грунта с нормальными и касательными усилиями, действующими на кон
тактных площадках рабочего инструмента, с учетом его геометрии, одно из ко
торых является трансцендентным относительно угла отклонения рабочего ин
струмента от прямолинейной оси скважины;
усилие уплотнения суглинков и угол отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины необходимо определять на основе установленных зависимостей с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг;
усовершенствование метода расчета показателей процесса прокола базируется на его экспериментальных исследованиях, математическом моделировании взаимодействия рабочего инструмента с грунтом и сопоставлении их результатов и заключается в установлении зависимостей усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси скважины с учетом влияющих факторов.
Научная новизна работы:
1. Получена теоретическая зависимость для определения усилия уплотнения грунта, взаимодействующего с конусным рабочим инструментом и учиты-
вающая его геометрию, а также предел текучести грунта при сдвиге и давление инструмента на грунт.
-
Установлены устойчивые корреляционные связи между отклонением рабочего инструмента от оси скважины, усилием уплотнения грунта и мощностью, затрачиваемой на его внедрение в грунт.
-
Усовершенствован метод расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин в грунтах.
-
Получены расчетные формулы для определения усилия уплотнения грунта и угла отклонения рабочего инструмента от прямолинейной оси для суглинков с учетом диаметра рабочего инструмента и угла его заострения, а также скорости его внедрения в грунт и предела текучести последнего на сдвиг.
5. Усовершенствована расчетная формула для определения усилия проко
ла суглинков.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; корректным использованием при математическом моделировании процесса прокола методов механики грунтов и теории пластичности; представительным объемом экспериментальных и теоретических данных; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики при обработке и анализе данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения коэффициентов корреляции находятся в пределах 0,81 - 0,99) и удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.
Научное значение работы заключается в развитии теории процесса прокола грунтов рабочим инструментом проходческого става путем установления физической картины механизма прокола на базе математического моделирования и экспериментальных исследований и совершенствования на их основе метода расчета показателей процесса при создании скважин.
Практическое значение работы:
разработан и изготовлен стенд, а также комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения для изучения процесса прокола при создании как криволинейных, так и прямолинейных скважин;
усовершенствован метод и разработана методика расчета показателей процесса прокола при создании криволинейных скважин.
Реализация работы. Результаты исследований, стендовая установка, комплекс измерительной аппаратуры и программного обеспечения и методика расчета и рекомендации в полном объеме используются ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула) и ООО «БЕЛРА-центр» (г. Тула) при разработке и создании прокалывающих установок.
Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Математическое моделирование физических процессов» и «Разрушение горных пород» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело».
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении результатов теоретических и экспериментальных исследований; формулировании цели и задач исследований; разработке математической модели и стендовой установки, из-
мерительной аппаратуры и программного обеспечения; проведении теоретических и экспериментальных исследований и интерпретации их результатов; совершенствовании метода расчета показателей процесса прокола и подготовке публикаций.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого – взгляд в будущее» (гг. Тула – Минск - Донецк) 28 – 30 октября 2013 г.; научных семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры ГиСПС ТулГУ (2012 – 2015 гг.); технических советах ООО «Скура-товский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула, 2013 – 2015 гг.) и ТРО МОО «Академия горных наук» (г. Тула, 2013 – 2015 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 25 таблиц, список использованной литературы из 105 наименований и 4 приложения.