Введение к работе
Актуальность проблемы. Угольные пласты с труднообрушающимися кровлями составляют четвертую часть всех отрабатываемых подземным способом пластов в Кузбассе и с увеличением глубины ведения очистных работ их доля постоянно увеличивается. Основные кровли таких пластов представлены преимущественно песчаниками мощностью 10 - 40 м, а в отдельных случаях более 40 м и прочностью более 80 МПа. Основной проблемой при отработке угольных пластов с такими кровлями является то, что они склонны к зависанию на огромных площадях. Это может привести к внезапному их обрушению и, как следствие, к материальным потерям и человеческим жертвам, связанными с ударной волной, прямыми динамическими воздействиями, взрывом метана, вытесненного из завальной части обрушающимся породным массивом кровли. Примером катастрофических последствий внезапного обрушения кровли служат случаи, произошедшие в последнее время на шахтах Кузбасса и, особенно на шахте "Ульяновская". Поэтому развитие технологий принудительного разупрочнения труднообрушающихся кровель является наиболее приоритетным направлением исследований, позволяющих повысить безопасность и эффективность ведения очистных работ.
Одним из наиболее перспективных способов разрушения прочных горных пород, с точки зрения безопасности, производительности, экологичности, является метод направленного гидроразрыва (НГР). Однако известные средства нарезания инициирующих щелей (ИЩ) и устройства герметизации, являющиеся основными в технологической схеме реализации способа, не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии. Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении. Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов. В связи с этим, проведение исследований по изучению направлений совершенствования технических средств для метода направленного гидроразрыва является актуальной задачей.
Исследования выполнены в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН по теме 28.4.2. "Развитие научных основ освоения углеводородного сырья на месторождениях Сибири, создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий их переработки".
Цель работы - обоснование параметров и разработка технических средств для метода направленного гидроразрыва горных пород, позволяющего повысить безопасность и эффективность очистных работ в лавах с труднообрушающимися кровлями.
Идея работы заключается в обосновании параметров щелеобразователя и герметизатора, обеспечивающих гарантированное развитие искусственной трещины в плоскости нарезанной инициирующей щели путем создания в горном массиве растягивающих усилий.
Задачи исследований:
провести анализ существующих методов разрушения прочных горных пород и обобщить научно - технический опыт создания средств образования инициирующих щелей на стенках шпуров и их герметизации; обосновать требования к конструкции щелеобразователя, реализация которых обеспечит гарантированное развитие ИЩ в заданном направлении.
провести стендовые и теоретические исследования по определению параметров силового воздействия уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура в зависимо-
сти от свойств материала уплотнений и их предварительного поджатия, установить рациональную траекторию движения резца и, необходимое для обеспечения баланса между усилием резания и ресурсом инструмента, усилие осевой подачи;
разработать методику и схемы проведения НГР с использованием модернизирован-
ных конструкций герметизатора и щелеобразователя для снижения нагрузок на охранные целики и секции механизированной крепи, уменьшения шага первичной посадки кровли.
Методы исследований. Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения научно - технического опыта разработки средств создания инициирующих щелей и герметизации шпуров, проведением лабораторных исследований на стенде, аналитических расчетов, реализацией шахтных экспериментов.
Научные положения, защищаемые автором:
Механические свойства материала уплотняющих элементов герметизатора влияют на направленность гидроразрывов и степень герметизации изолируемого участка шпура, а его выбор зависит от прочности горных пород, в которых осуществляется НГР, причем в более прочных породах рекомендуется использовать материалы с большей прочностью на сжатие (например, полиуретан).
Параболический профиль направляющих уклонов щелеобразователя обеспечивает максимальный (по сравнению с прототипом) диаметр нарезаемой инициирующей щели, а дополнительная поверхность для отвода стружки из зоны резания позволяет, с увеличением выхода резца, уменьшить усилие резания, повысить производительность и долговечность режущего органа.
3. Использование усовершенствованных конструкций щелеобразователя и герметизато
ра в технологии НГР обеспечивает развитие инициирующей щели в заданном направлении
за счет перераспределения нагрузок на массив в загерметизированной зоне шпура.
Достоверность научных положений обеспечивается достаточным объемом результатов стендовых испытаний уплотняющих элементов, применением современной аппаратуры и методов обработки данных экспериментов, сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований в шахтных условиях.
Научная новизна:
исследовано силовое влияние уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура и обоснован выбор материала уплотнений в зависимости от прочности горных пород;
обоснована траектория движения режущих органов щелеобразователя, позволяющая увеличить диаметр инициирующей щели;
установлена зависимость изменения усилия резания, действующего на режущие органы щелеобразователя, от осевого усилия подачи;
установлено, что на пологопадающих пластах (более 15) глубина заложения шпуров НГР, обеспечивающая подбучивание обрушаемых пород кровли, зависит от угла падения пласта.
Практическая значимость работы. Разработан стенд для испытания уплотнений герметизирующего устройства; обоснована конструкция уравновешенного герметизатора для шпуров диаметром 45 мм и щелеобразователя, обеспечивающая увеличенный диаметр нарезаемой инициирующей щели, определены и использованы технологические схемы НГР на шахтах с труднообрушающимися кровлями, опасных по внезапному выбросу газа и пыли.
Реализация работы. Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по применению метода НГР на угольных шахтах "Березовская" и "Первомайская" (ОАО УК "Кузбассуголь").
Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении испытательного стенда и проведения на нем исследований, а также математической модели для проведения аналитических расчетов взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура, и рациональной траектории движения режущих органов щеле-образователя. Автор также принимал активное участие в проведении шахтных экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Международной конференции "Динамика и прочность горных машин" (Новосибирск, 2003 г.), Международной конференции "Неделя горняка - 2004" (Москва, 2004 г.), на технических советах в ОАО УК "Кузбассуголь", шахтах "Первомайская" и "Березовская".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе получено 3 патента РФ на изобретения.
Объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы, 71 рисунок и список литературы из 89 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю, Заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук В.И. Клишину. Особую благодарность и глубокую признательность автор выражает кандидату технических наук Ю.М. Леконцеву за помощь, поддержку и внимание на всех этапах работы.
