Введение к работе
Актуальность. Использование гидромониторных струй в до^-"'" этной промышленности и з технологиях, связанных с разрушением материалов известно давно. С 1953 года началось и получило развитие в СССР применение гидравлическое отбойки каменных углей в-подземных условиях. К преимуществам гидравлической технологии относится возможность осуществления непрерывного транспорта горной массы от забоя до ствола, затем по поверхности и далее по трубопроводам, яа больше расстояния,
В.Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-65 гг. и на период до 1990 г. указано на необходимость "осуществлять дальнейшее развитие подземной добычи угля, особенно для коксования, добычи утля гидравлическим способом и транспортирования его по трубопроводам"..
За последние годи большое внимание разрушению гидравлическим способом естественных и искусственных материалов стало уделяться за рубеяом. Помимо многочисленных публикаций авторов : в технических нурналах о внедрении в производство, и авторских заявок, через каждые два года проводятся меадунаредные симпозиумы по технологии резания (разрушения) струями (international syraposiua on jet cutting technology, В H R A ) , первый ИЗ KOTO- . рнх состоялся в 1972 году. .
Гидравлический способ разрушения привлекает овоей, в прин
ципе неограниченной по крепости пород применимостью, даже тогда,
когда при использовании механического инструмента, ввиду больших
усилий на контакте с горшш массивом, в металле при его нагрева
нии и истирании, возникают опасные касательные и растягивающие
напряжения. '''...''.
В струе они отсутствуют, независимо от давления в гидромониторе; после истечения из сопла жидкость несет только кинетическую энергию, преебразуювдтся яа контакте (в забое) в совершаемую давлением работу деформации и создание п функции от него любых критических напряжений в породе /разрушая массив, путем откола от ного кусков. Поэтому струя способна разрабатывать самые прочные породы, причем с ростом давления производи-
твльяость растет, а энергоемкость снижается и для каждого из «атериадов существует свое кумулятивное давление, при котором в теории применяли уравнения гидродинамики <М.А.Яавренгьеэ, IS57)
. Разрушение струе» в случае крепких пород мояат комбинм-роваться с механическим воздействием. Б механогвдравлическом (аазы-аемом таете гидромеханическим, ИГД им.А.А.Скочянского) методе гидрободщи, при этом, основное (оперезащее) воздейс* вне при разрушении массива производится той же высоковапорнои струей, а резцами удаляются ослабленные целики мааду раэраОот иы&ш ею бороздаш. Другой гидромеханический иетод позволяет н основе использования серяйкадс отечественных насосов, т.е. с п шцыэ струи до Ш Ша, разрушать механический инструментом гс раздо более крепкие, чем обычным резанием, порода. Струя при атом направляется в зону, нарушенную резцом, удаляя мелкие п$ дуктыето разрушения и тем самым снижая силу резания,- за сче'і уменьшения силы трения при реаущем. движении механического ин-
. отрушнта. .
. Накопленный исследовательский и прошияенный опыт пока; вает, что тіщюіюниторцад струя высокопроизвбдатедьщ и несм< ва зяачитольнуи энергоемкость процесса способна интенсивно, і в определенных горко-геодогических условиях экономически зфф тивно, с технологетескжа я экологическими преимуществами ра' рушать крепкие каменные угли и горные породы.
. Однако предложенные у нас и за рубежои теоретические и ли механизма гидравлического разрушения, построенные на трал онных статических методах иесладовсккя, не позволяют физичес интерпретировать процесс и обоснованно подходить к выбору и
_ делению основных параметров гидравлического разрушения, а те находить.пути: дальнейшего совершенствования производственно}: нологии. В требовании решения этих вопросов и заключается ах альность разработки специальной ыехшнзш гадравличоскоіч) pas яия для горного производства, использующей новые достижения ки, адекватно опдсьазаадей механизм явления, с выводом форму-' инженерных расчетов гядрроборудования. Актуальность пройдем здания специальной механики разрушения гидромониторными стр;
.- 4
связана также и с ее перспективность» в области развития общей* теория прочности.твердых тел.
Цель шботн. Установление зависимостей,' опраделяхйих па-" рамвтри гидродобычного гидрооборудования, для повышения эффективности его работы, основанных иа использовании при разработке, теории гидроотбойки, дийаьшчесяой (яеквазистатяческой) упругой задачи и кинетической (но предельной) концепции прочности.
Идея работы. Рассмотрение при анализе процесса- гядрс-разрушения выемочной производительности гидромонитора в качестве отправной величины* функционально связанной с давлением а стволе, оценивая ее по времени (длительности) акта единичного откола порода от массива, в зависимости от ее крепости, на основе кинетопрачностноЙ теории.
Методе исследования. Проведены опыты на специальном лабораторном стенде и сделал анализ й обобщены результаты»цутем обработки и помощь» математической статистики и с использованием данных, получении* в лабораторних, а такяо в премцшлешшх условиях (Кузбасс, Донбасс). '
Теоретическая часть основана иа решении, с помощью ЗВ.М динамических уравнений теорші упругости и уравнения пограничного .слоя в гидромеханике, для специ&іькнх граничних условии, а также на размеряоетном анализе, с помощью уравнений регрессии в форме характерной для кинетической теории прочности (разрушения).
Оснозкш научіте положения, выносиглие на зачпгу
-
Модель механизма гидроразрушошя, основанная на системе уравнешШ динамического (не квазкетатэтоского) развития иалряз;еііий а упругом полупространство (массиве), с прж.'оііениєм кинетической (не предельной) теории прочности породы, и с доведением расчетов, до определения и выбора параметров гкдродобнч-ного оборудовании
-
Вариационный метод решения динамической упругой задачи.
-
Дифференциальные уравнения шюгофазиого (для струи -- двухфазного, газо;кидксстного) потока, при последовательном осреднении по пространству и времени.
4. Теоретический метод сопоставления гидромониторных сосед, путем оценки юс динамических качеств, на основе определения толщины пограничного слоя внутреннего течения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации подтверждается тем, что теоретические ее разделы выполнены с применением аналитического аппарата классической иехашоси сплошой среда и новейшей научной, кинетической теории прочности, с проведением большого объема расчетов на ЭШ, а в практической и оштной части использованы современные методы эксперимента и обработки результатов; отклонение теоретических данных, от экопериментал: них и промышленных, не превышает Ъ%.
Основные задачи. Ї) Создание лабораторного стенда и пр ведение экспериментов .до разрушении струями торных пород; 2) Разработка физической модели гидроразрушения; 3) Определе-ние напряжеяно-деформированша состояний массива и зон его раз рушения; 4) Выбор теории (концепции) прочности, описывающей процесс гидравлического разрушения; 5) Разработка експлуатації онных характеристик (диаграмм) разрушения горных пород водяные струями.и вывод формул для расчета основных параметров гидроой р'удования при гидродобыче; 6) Изучение течения струй с давлен ем до 20 МПа с разными насадками о помощью киносъемки в другга методов (включая теоретические) для.выбора условий, определяющих наибольший эффект гвдроразрушения.
Научная новизна. Разработана динамическая теория гидрш ^ического разрушения, описыващая существо его иакромехаиизма на основе динамики развития напряжений в массиве и кинетики ' .прочности породы и включающая способы определения в зависимое от конструктивных и технологических факторов, основных показа телей гидродобычи (производительности, энергоемкости) /5,1962 15,1973; 16,1973; І7Д977; 22,1981/. Установлено, что времени теории прочности обобщают предельные,в их критических точках, являются адекватными при описании быстропротекащшс процессов .разрушения / 32,1990 /, предложен водтвервденный опытом гидро механический метод оценки эффективности профиля гидромониторн го сопла, основанный на расчёте пограничного слоя течения в к фузорах / 7.L962; 31,1989 /.
Лолучеш детерминированные дифференциальные уравнения эгофазного (для струи, двухфазного-газожидкостного) потока,е.. зледовательным осреднением по пространству н по времени, и с этом ВХ0ДЯИ1ИХ в моменты корреляция отклонений мгновенных КОН-ятраций от средних значений / 14,1971 /.
Разработан для динамической упругой задачи вариационный год решения, с приведением численного расчета / 12,1970; ,1978./.
Получены и применены ддаамичэекие дадференциальше урав-нияЛаме оссиметричной задачи'теории упругости, с расщепле- '. ем компонентов смещений по осям цилиндрических координат 12,1970: 19,1973 /.
Практическое значение. Спроектирован и создан специаль-й лабораторный стенд для испытания образцов углей и горных по-д на прочность под давлением струи, явившийся прототипом для следующих аналогичных установок / 2,1959; 3,1961; 15,16,1073 /.
Опыт» на стенде проводились в координации о КузШУИ и ре-льтаты внедрялись на иахтах Кузбасса. Совместно о КузНИУИ . ШШгидроуголь) опытно и теоретически были обоснованы /3,1961; 8,2962; 27,1965 / главные технологические параметры оборудо-іния гидроотбойки (минимальное давление разрушения,- оптимум юрости и скольжения струи по забои, зависимости от производи-ільиости и эизргоемкостд), разработан внедренный на первом эта-і гидродобычи на шахтах профиль конического насадка /2,1959/, «іее совершенней, чем современные ему американские сопла bilosopblcal transactions of Roysl Society of tondon, Serie A, '66. Vol.260, К 1110). '..'..
Получека формула устанавливающая связь мезду скоростью зчения струи и частотой киносгемки, обеспечиващая несмазанное юбрадонио структура и оценку кинематических параметров потока 1,1957; 2,1959 /, что обеспечивает для опытов с высоконапорны-i струями выбор необходимой кинокамеры.
В экспериментах в коллективе СИбГИ применена уникальная ія своего времени отечественная кинокамера ЭД1-22, о частотой ьемкя І000СС кадров з секунда ..давшая возможность исследовать з только структуру, но и кинематику струи с давлением перед
соплом до 20 Ша, путем покадрового изучения течения и просмотра его в данашке визуально на экране / 1,1957 Л
lis осново предложенной теории гвдроразрушения раработан принятая Гйдрошпселем методика определения параметров гидрообо рудованля при гидродобыче 239 г*>. ,
Совместно с соавторами сконструирован прибор для иэыер няя касательных напряжений в пограничном слое струи,растекаще ся по.кшгаїруащеа поверхность массива преграде / 28,1990/.
. Совместно с Гкпроиукелом /34,1991 / исследованы и обос* - ванн параметры ыеханогздравяического способа разрушения комбиі рузодего резаяке с давлением струи, которое на порядок ниже пр< дельной прочности на одноосное сжатие.
Научное значаще. . Разработка и обоснование фенрыеноло: ческой, «одеж: механизма гкдроразрушения, в отличие от существ* вавших ранее незашгаавдей расчетную энергоемкость на порядок і личины, с доведенном результатов теорий до ляяедаряого расчет всех основних параметров гвдрооборудозаняя для гидродобычи.
Апробацяя. Основино полошиш и результаты исследован начиная с IS5? года, докладывались ча конференциях, Ученых со вегаг и татарах в КузШШі (ВШИгкдроуголь), ИГД км.А.АсСкоч ', сяого, Лешшградском горном институте, Ленинградском политехи ческом кнсткгуте, Московском онерготяческом иаституте, ИЦСТІП те Гіщроішкель, УіфІЕ'Зїгіцфоуголь.'
Имеются отзывы ряда прошпшшых предприятий, а также < дельных специалистов: профессоров, докт.техн.наук В.С.Мучшш (ВШШгдцроугольї, у^.К.Патрагова (Bommo-морское уч-ще пи.Ф.Э Лзоріскнского), З.Й.Герснтьева {Ленинградский горный институт Л.А.Розина, И.И.ЛВВИ (Ленинградский политехнический институт профессора, докт.флз.-мат.наук А.М.'іуравского (Ленинградский горный институт), ст.научн.сотр!, каїщ.физ .-мат .наук К.И.Огу нова (Лекиїгградский гссунйверситет) и др. Основные публикаш! перепечатшадиеь в библиографгчесхом указателе "Гидродобыча гидротранспорт" ШЮ "црокопьевскуголь*.
СОДЕКШИЕ РАБИН ' *