Введение к работе
Актуальность работы. Проходка протяженных скважин в породном массиве – важнейшая составляющая технологий разведки и разработки месторождений полезных ископаемых как подземным, так и открытым способами. Она широко используется и в других отраслях производства, связанных с воздействием на породный массив: установка анкеров, сооружение и укрепление фундаментов, повышение устойчивости грунтовых инженерных сооружений, прокладка подземных инженерных коммуникаций и т.п.
Развитие технологий разведки и добычи полезных ископаемых, увеличение длин транспортных и инженерных коммуникаций требует обеспечения их точного выхода в заданную область подземного пространства за счет направленного движения бурового рабочего органа в породном массиве по заданной траектории. Это позволяет сохранить природный ландшафт и экологический баланс в местах проведения работ, а также снизить негативное влияние на условия проживания людей в этой зоне.
В подземном строительстве в большинстве случаев проходка скважин осуществляется в приповерхностном грунтовом слое. Так как грунт при механическом воздействии способен уплотняться, то широкое распространение получил способ формирования скважины, основанный на деформации грунта в радиальном направлении при статическом или ударном внедрении в него рабочего органа (прокол). Одним из наиболее эффективных технических средств, для реализации метода прокола, являются пневмопробойники.
Основным фактором, сдерживающим дальнейшее развитие технологии
виброударного прокола пневмопробойниками, является отсутствие гарантии выхода
скважины в заданную точку подземного пространства, обусловленное практически неизбежным отклонением машины от первоначально заданного направления при её движении в грунте.
Создание управляемых пневмопробойников, изменяющих траекторию движения по команде оператора, позволяет решить эту проблему, путем компенсирования влияния практически всех факторов, являющихся причиной случайного отклонения устройства от заданного курса. К тому же появляется возможность прокладки скважин со сложной траекторией, включающей повороты в разных плоскостях. Подобная необходимость может возникать при обходе подземных препятствий, в сложных горно-геологических условиях, в технологии крепления откосов с помощью гибких анкеров и т.п.
Отсюда следует вывод о том, что исследование и создание новых технических
средств, позволяющих управлять траекторией прокладываемых скважин, являются
актуальной задачей.
Целью работы является определение основных параметров и разработка конструкции отклоняющего механизма для изменения направления движения пневмопробойника в грунтовом массиве по команде оператора.
Идея работы заключается в формировании силового воздействия для изменения траектории движения пневмопробойника в уплотняемом породном массиве за счет отклонения задней части его корпуса относительно продольной оси.
Объект исследований: грунтовый массив и условия формирования отклоняющего
воздействия на пневмопробойник при его движении в грунте, отклоняющее устройство
для создания силового воздействия, изменяющего траекторию движения
пневмопробойника.
Предмет исследования: процесс изменения траектории движения
пневмопробойника в грунтовом массиве при отклонении задней части корпуса
относительно его продольной оси.
Задачи исследований:
- обосновать способ изменения траектории движения в грунтовом массиве и
конструктивную схему управляемого пневмопробойника с отклоняющим механизмом;
определить значения основных конструктивных и силовых параметров механизма изменения траектории движения пневмопробойника в грунтовом массиве с заданным радиусом её кривизны;
разработать, изготовить и испытать на стенде и в реальных условиях прототип пневмопробойника с механизмом изменения направления его движения в грунтовом массиве.
Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий анализ известных исследований и научно-технических разработок по теме работы, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического и физического моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Конструктивная схема, в которой корпус пневмоударного механизма состоит из
двух шарнирно соединенных частей, где передняя часть является управляемой, а задняя –
управляющей, позволяет выполнить их одинакового диаметра и изменять направление
движения пневмопробойника при сохранении его удельной ударной мощности на уровне
серийно выпускаемых машин.
2. Представление криволинейной траектории скважины в виде полинома с
достаточно малыми отрезками и разделение криволинейного движения
пневмопробойника на продольное и вращательное с поворотом его корпуса вокруг оси,
пересекающейся с продольной осью под прямым углом, позволяет определить радиус
траектории движения пневмопробойника при различных значениях конструктивных
параметров отклоняющего механизма и величины ударного импульса.
-
Точка, вокруг которой корпус пневмопробойника поворачивается в грунте при действии поперечно направленного отклоняющего усилия, располагается от переднего конца пневмопробойника на расстоянии 0,2 0,25 длины его корпуса, и её положение не зависит от величины и характера приложенного отклоняющего усилия.
-
Достаточный для практических целей радиус кривизны траектории скважины при проходке её пневмопробойником обеспечивается при отношении длины отклоняемой задней части к длине корпуса в диапазоне от 0,16 до 0,22 и угле отклонения задней части корпуса от 3,7 до 5-ти градусов.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.
Научная новизна диссертации:
– обоснована возможность изменения направления движения пневмопробойника в грунте при сохранении его удельной ударной мощности на уровне серийно выпускаемых машин за счет реализации конструктивной схемы, в которой его корпус состоит из двух шарнирно соединенных частей одинакового диаметра, где передняя часть является управляемой, а задняя – управляющей;
– обосновано, что при определении радиуса траектории движения
пневмопробойника в грунте при различных значениях конструктивных параметров отклоняющего механизма и величины ударного импульса целесообразно разделение криволинейного движения на продольное и вращательное с поворотом корпуса пневмопробойника вокруг оси, пересекающейся с продольной осью под прямым углом;
– экспериментально доказано, что точка, вокруг которой корпус пневмопробойника поворачивается в грунте при действии поперечно направленного отклоняющего усилия, находится от переднего конца пневмопробойника на расстоянии 0,2 0,25 длины его корпуса, и её положение не зависит от величины и характера приложенного отклоняющего усилия;
– установлено, что соотношение длины отклоняемой части к длине корпуса в диапазоне от 0,16 до 0,22 и угле отклонения задней части корпуса от 3,7 до 5-ти градусов обеспечивает достаточный для практических целей радиус кривизны траектории скважины при проходке её пневмопробойником.
Личный вклад автора заключается в разработке математической модели и проведении исследования процесса движения пневмопробойника с асимметричной формой корпуса в грунтовом массиве; разработке методики и проведении экспериментальных исследований процесса взаимодействия корпуса пневмопробойника с грунтом при изменении направления продольной оси корпуса; в обработке и интерпретации данных теоретических и экспериментальных исследований; в разработке конструкции отклоняющего механизма.
Практическая ценность работы:
– обоснована конструктивная схема отклоняющего механизма для изменения
направления движения пневмопробойника в грунте при сохранении его удельной ударной мощности на уровне серийно выпускаемых машин;
– определены значения основных конструктивных и силовых параметров механизма изменения траектории движения пневмопробойника в грунтовом массиве с заданным радиусом её кривизны;
– создан и испытан в лабораторных и естественных условиях прототип управляемого пневмопробойника, позволяющего изменять направление оси скважины в процессе ее прокладки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на конференции «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности» посвященной 70-летию ИГД СО РАН, Новосибирск, 2014 г., Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы», Новосибирск, 2015 г.; Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования», Екатеринбург, 2015 г.; Всероссийской научно-
технической конференции «Актуальные вопросы строительства», Новосибирск, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники глазами молодых ученых», Омск, 2016 г.; Международной научной конференции «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология», Новосибирск, 2016 г. , 2017 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, в том числе 2 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ и 1 патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 122 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 88 наименований и 4 приложений; содержит 55 рисунков, 10 таблиц.