Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Анализ способов закрепления неустойчивых горных пород 9
1.2. Гидроструйная цементация неустойчивых горных пород 12
1.2.1 Суть технологии гидроструйной цементации
неустойчивых горных пород 12
1.2.2. Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород 16
1.2.2.1. Источник водоцементной суспензии высокого давления 16
1.2.2.2. Источник давления воздуха 24
1.2.2.3. Буровые установки для ГСЦ со спутным
потоком воздуха 24
1.3 Опыт практического применения машин для ГСЦ со
спутным потоком воздуха 28
1.3.1. Закрепление массива при проведении проходческих работ 28
1.3.2. Ограждение стен котлованов 30
1.3.3. Закрепление горного массива при строительстве подземных коммуникаций 34
1.3.4. Перспективы развития технологии ГСЦ
со спутным потоком воздуха для горной промышленности 37
1.4. Цель и задачи исследований 37
2. Методика и техника экспериментальных исследований 39
2.1. Факторы и показатели процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород 39
2.2. Общие положения методики экспериментальных исследований
2.3. Стендовая база исследования ГСЦ со спутиым потоком воздуха 45
2.4. ГСЦ инструмент со спутиым потоком воздуха 48
2.5. Показатель физико-механических свойств горных пород 49
3. Экспериментальные исследования влияния параметров процесса гсц со спутиым потоком воздуха 51
3.1. Влияние давления водоцементиой суспензии на иаметр закрепляемого массива 51
3.2. Влияние скорости перемещения бурового тава на диаметр закрепляемого массива 54
3.3. Влияние диаметра водоцементиой струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива 57
3.4. Влияние диаметра воздушной струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива 59
3.5. Влияние частоты вращения бурового става на диаметр закрепляемого массива 61
3.6. Влияние параметров ГСЦ со спутиым потоком воздуха горных пород на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса 64
3.7. Анализ и обобщение экспериментальных данных,
полученных на стендовой установке и проверка
адекватности обобщенной зависимости 106
4. Разработка оборудования, реализующего технологию гсц со спутиым потоком воздуха 111
4.1. Разработка ГСЦ инструмента со спутиым потоком воздуха 111
4.2. Методика расчета параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации со спутиым потоком воздуха для закрепления неустойчивых горных пород 112
4.3. Перспективы применения технологии ГСЦ со спутиым потоком воздуха горных пород 117
Заключение 119
Литература
- Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород
- Стендовая база исследования ГСЦ со спутиым потоком воздуха
- Влияние диаметра водоцементиой струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива
- Методика расчета параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации со спутиым потоком воздуха для закрепления неустойчивых горных пород
Введение к работе
Актуальность темы. Современные тенденции роста объёмов подземного строительства, повышение требований к работам с точки зрения безопасности при устройстве тоннелей, кабельных коллекторов, а также прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин при наличии на поверхности зданий, что создает необходимость в создании новых технических средств. При ведении работ в неустойчивых горных породах возникает потребность в придании массивам новых физико-механических свойств. Вариантом решения данной проблемы является гидроструйная цементация со спутным потоком воздуха. Смысл ее заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, которая во взаимодействии со спутным воздушным потоком, направляется на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. Однако, отсутствие научно обоснованных методов выбора рациональных режимов работы оборудования для закрепления наибольшего диаметра при наименьших энергетических затратах делает актуальным работу.
Необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния различных параметров процесса на эффективность работы установок, реализующих ГСЦ со спутным потоком воздуха в неустойчивых горных породах, что в свою очередь определяет актуальность работы.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг и в рамках государственного контракта № 14.740.11.0045 «Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации».
Целью работы является установление закономерностей изменения параметров и режимов работы установки гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающих повышение эффективности закрепления неустойчивых горных пород.
Идея работы заключается в повышении эффективности закрепления неустойчивых горных пород за счет гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха при рациональных энергетических параметрах процесса.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
установлено, что применение гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха обеспечивает увеличение диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива неустойчивых горных пород;
выявлено, что диаметр и скорость приращения объема закрепляемого массива зависят от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;
получена область значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающая минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлено, что при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха рациональная скорость перемещения бурового става с увеличением диаметра отверстия струеформирующей насадки водоцементной струи от 0,002 м до 0,003 м возрастает в среднем в 1,7 раза и лежит в диапазоне от 0,0029 м/с до 0,014 м/с, а при росте частоты вращения от 0,17 с-1 до 0,33 с-1 падает в 1,4 раза;
выявлено, что рациональная область изменения скорости перемещения бурового става лежит в диапазоне от 0,5 м/с до 0,7 м/c ;
получена эмпирическая зависимость изменения рациональной скорости перемещения бурового става от частоты его вращения и диаметра струеформирующих насадок, отличающаяся учетом спутного потока воздуха гидроструйной цементации неустойчивых горных пород, при минимизации энергетических затрат;
установлена обобщенная эмпирическая зависимость, позволяющая определять диаметр закрепляемого массива при гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха с учетом давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также сцепления горных пород.
Метод исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов: научное обобщение и анализ основных результатов ранее выполненных работ в области закрепления неустойчивых горных пород способом гидроструйной цементации; экспериментальные исследования закрепления массива гидроструйной цементацией со спутным потоком воздуха в условиях лаборатории ТулГУ; обработку результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: объемом проведенных экспериментов, корректной обработкой результатов экспериментов методами теории вероятности и математической статистики и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами экспериментов, полученными в условиях лаборатории ТулГУ (Kвар<25%).
Научное значение работы заключается:
в установлении закономерностей изменения диаметра и скорости приращения объема закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии, давления воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также от сцепления горных пород;
в установлении зависимостей, позволяющих изменять диаметр закрепляемого массива от давления водоцементной суспензии и воздуха, диаметров струеформирующих насадок, скорости перемещения и частоты вращения бурового става, а также сцепления горных пород, и определении области значений рациональной скорости перемещения бурового става при гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха, обеспечивающим минимальную энергоемкость процесса закрепления массива неустойчивых горных пород, которая определяется по полученной эмпирической зависимости с учетом диаметров струеформирующих насадок и частоты вращения бурового става.
Практическое значение работы заключается:
в разработке экспериментального стенда и методики проведения исследований процесса закрепления неустойчивых горных пород на основе гидроструйной цементации со спутным потоком воздуха;
в разработке методики обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород со спутным потоком воздуха.
Реализация работы. Основные научные результаты и практические рекомендации приняты Тульским региональным отделением МОО «Академия горных наук» при проектировании высоконапорного оборудования. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам: «Дорожные машины и производственная база строительства», «Горные машины». Программное обеспечение используется при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на научных семинарах кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений» ТулГУ (г.Тула, 2009 - 2013 гг.); 12-ом Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр»(г. Томск, 2008 г.); 6-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г.Тула. 2010.); 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г.Тула. 2011); 4-ом Международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г.Орел 2010); 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие образования, науки и технологий» (г.Тула 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из них 2 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 21 таблицу.
Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород
Известно, что проходческие работы затруднены в неустойчивых горных породах. Традиционной технологией ведения работ предусматривается отвод воды от забоя по дренажным канавам или откачка с помощью насосов. Для обеспечения беспрепятственного отвода воды в таких условиях проходку стремятся вести на подъем. Однако бывают случаи, когда большие притоки воды, особенно напорной, затрудняют и замедляют разработку горной породы. При прохождении стволов, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено возникают немалые проблемы.
При насыщении водой илистых, песчаных, песчано-глинистых горных пород забой становится неустойчивым, происходит вынос водоносной горной породы из-под крепления забоя в выработку [11].
Для прохождения участков со сложными гидрогеологическими условиями нужно создать условия, при которых проходку выработки можно было бы вести обычными способами: щитовым, комбайновым, сплошного забоя, и др. Применяются специальные способы закрепления неустойчивых горных пород. К их числу относятся искусственное замораживание горных пород, водопонижение, закрепление горных пород связывающими растворами, химическое закрепление горных пород, электрохимическое закрепление горных пород.
Суть искусственного замораживания горных пород заключена в замораживании воды, которая находится внутри горных пород с помощью специальных устройств замораживающих колонок. В результате замораживания получается ледопородный массив, обладающий хорошей механической прочностью и водонепроницаемостью. Область применения искусственного замораживания достаточно обширна, в частности при проходке выработок, возведении обделки тоннелей, проведении работ по гидроизоляции объектов подземного строительства. Замораживание неустойчивых горных пород име ет несколько разновидностей: рассольный способ, активное замораживание, буровзрывной способ, способ низкотемпературного замораживания. Данная технология является универсальным средством стабилизации слабых пород, но наряду с этим имеет недостатки: пучение обводненных горных пород вследствие увеличения их объема и осадка при оттаивании может приводить к деформациям поверхностных сооружений, под которыми ведутся работы по замораживанию, особенно если они выполняются на небольшой глубине, а так же сложные подготовительные работы, длительный процесс замораживания, что как результат высокая стоимость применения [11].
Существует способ водопонижения, при использовании данного способа происходит осушение горных пород в забое, или снятии напора в водоносных горных породах путем откачки воды из них через специально устраиваемые для этих целей водопонижающие скважины, в которых устанавливают водооткачивающие средства. Эффективность способа зависит от того, насколько быстро порода может отдавать воду. Недостатками способа являются: ограниченная область применения по горно-технологическим условиям, сложность прогнозирования физико-механических свойств осушаемого массива, изменение этих свойств в широком диапазоне внутри одного массива горных пород [13].
Закрепление горных пород связывающими растворами состоит в нагнетании специальных растворов, которые, проникая в поры слабых горных пород, придавая прочность и водонепроницаемость. Для закрепления используют различные способы: цементацию (нагнетание цементного раствора), глинизацию (нагнетание тампонажного глинистого раствора с различными добавками) и т.д. [11].
Химическое закрепление неустойчивых горных пород происходит несколькими способами: силикатизации (двухрастворная - последовательное нагнетание раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, однорастворная - нагнетание гелеобразующей смеси, приготовленной непосредственно перед нагнетанием, путем смешивания раствора жидкого стекла ю и кислотных отвердителей) и смолизации — нагнетание растворов смол с отвердителями, битумизация и термическое закрепление [29].
Электрохимическое закрепление заключается в обработке массива постоянным электрическим током, под влиянием которого в породах протекают сложные физико-химические процессы; в итоге горные породы обезвоживаются и приобретают значительную механическую прочность.
При обработке слабых водонасыщенных глинистых пород электротоком в них вместо коагуляционно-тиксотропных непрочных структурных связей образуются прочные водостойкие конденсационно-кристализационные необратимые структурные связи, что и придает обработанным породам значительную механическую прочность. Недостатками электрохимического способа является его высокая стоимость, ограниченность области применения, а также возможность получения массива с высокой степенью неоднородности свойств [11,12].
Специальным способом ведения работ в слабых горных породах является кессонный способ. Суть его в том, что в огражденной рабочей зоне, где происходят проходческие работы, нагнетают сжатый воздух, который вытесняет воду из массива горной породы, что дает возможность вести работу практически сухом забое, либо создается за счет этого давления временная крепь. К тому же давление сжатого воздуха в нижней части рабочей зоны для полного вытеснения воды должно быть равно или несколько меньше гидростатического напора воды. При проведении работ, связанных с этим способом, обязательно использование устройств обеспечивающих безопасность: аварийный шлюз, предохранительные (аварийные) перемычки, предохранительный экран, аварийный помост. Так как с повышенным содержанием кислорода в воздухе рабочей зоны возможно активное возгорание предметов, находящихся в тоннеле. Другим специальным способом ведения работ в неустойчивых горных породах является термическое упрочнение [11].
Суть термического упрочнения заключается в подаче в массив горных пород раскаленного воздуха или газа в течение нескольких суток. Отдельные п минералы оплавляются, образуется прочная структура. При этом теряется часть химически связанной воды, уменьшается или ликвидируется просадоч-ность. Температура массива обычно не превышает 800 С. В результате обжига вокруг скважины образуется конусообразный столб диаметром по верху до 2 м, а внизу - 0,7...0,8 м. Возможна и другая технология обжига, когда горелка погружается в пробуренную скважину и постепенно передвигается вдоль неё. В этом случае в результате обжига получаются обожжённые породные столбы. Топливом для горелки является солярка или газ [13].
У горных пород, подвергнутых термическому воздействию, полностью ликвидируются просадочные свойства, размокаемость и набухаемость, вызванные увлажнением пород; во много раз повышается сцепление и сопротивляемость сдвигу и сжатию, прекращаются немедленно процессы осадок.
В сложных гидрогеологических условиях возможны совмещения специальных способов работ в определенной последовательности или параллельно.
Примером использования двух методов является проходка выработок с применением сжатого воздуха и одновременное водопонижение. В этом случае применение водопонижения позволяет уменьшить гидростатический напор, что создает возможность вести проходку выработки кессонным способом при более низком избыточном давлении в рабочей зоне.
Применение замораживания и водопонижения позволяет осушить массив неустойчивой горной породы, огражденный замкнутой водонепроницаемой ледопородной стеной. К общим недостаткам описанных способов ведения проходческих работ следует отнести высокие материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью обслуживаемого оборудования и опасными условиями работы.
Стендовая база исследования ГСЦ со спутиым потоком воздуха
Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха неустойчивых горных пород, была разработана специальная установка, показанная нарис. 2.2.
Экспериментальная установка представляет собой сварную конструкцию, состоящую из рамы 1 с помощью анкерных болтов укрепленной на бетонном фундаменте, привода 2 (асинхронного двигателя с планетарным редуктором), предназначенного для вращения поворотного стола 3 посредством цепной передачи 4. На поворотном столе установлена емкость 5 с образцом закрепляемого породного массива. Рис. 2.2. Общий вид стендовой установки:
Водоцементная суспензия подается от источника давления (плунжерного насоса) к ГСЦ инструменту 6 по гибкому трубопроводу. В ходе всех проводимых экспериментальных исследований плотность водоцементной суспензии составляла 2000 кг/м3. Такая плотность была выбрана на основании исследований Головина К.А. [29]. Водоцементная суспензия такой плотности несет практически максимально возможное количество цемента с одновременным сохранением свойств жидкотекучести. Воздушная струя поступает от источника давления воздуха (компрессора) к ГСЦ инструменту по гибкому трубопроводу.
В качестве источника давления водоцементной суспензии используется насосная установка оригинальной конструкции, обеспечивающая подачу водоцементной суспензии требуемой плотности к ГСЦ инструменту с давлением до 60 МПа и расходом до 50 л/мин [61 - 71].Источником давления воздушной струи служит типовой компрессор. Перед пуском в работу стендовой установки емкость 5 заполнялась горной породой, которая будет подвержена ГСЦ обработке со спутным потоком воздуха, ГСЦ инструмент 6, при помощи винтового податчика, устанавливается таким образом, чтобы истекающая из него струя проходила через ось вращения емкости 5, а при помощи перестановочного винта на ползуне , так, чтобы срез струеформирующих насадок совпадал с поверхностью обрабатываемой горной породы.
Работа стендовой установки осуществлялась следующим образом: - включался привод 2 передающий вращение через цепную передачу 4 на поворотный стол 3 с установленной на нем емкостью 5; емкость 5 с обрабатываемой горной породой начинает совершать вращательное движение; - одновременно включалась подача водоцементной суспензии и воздуха под высоким давлением от источников давления к ГСЦ инструменту со спутным потоком воздуха 6 и винтовой податчик, осуществляющий, перемещение ползуна и ГСЦ инструмента со спутным потоком воздуха 6 в горизонтальной плоскости от оси вращения емкости 5 в радиальном направлении.
Таким образом, моделировался процесс ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород. После завершения процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха горной породы емкость 5 снималась со стендовой установки и выдерживалась до момента затвердевания массива закрепленной горной породы, а на стендовую установку устанавливалась другая емкость с образцом горной породы, чем обеспечивалась непрерывность процесса экспериментальных исследований.
Струеформирующая насадка ГСЦ инструмента со спутным потоком воздуха 8 перемещалась относительно обрабатываемой горной породы по винтовой линии, аналогично перемещению ее в процессе ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород при использовании бурового оборудования (см. рис. 2.1).
При обработке экспериментальных данных, полученных на описываемой стендовой установке за диаметр закрепляемого массива D принималась величина, равная удвоенной глубине сформированного закрепленного массива горной породы, а скорость перемещения бурового става V и частота вращения бурового става п пересчитывались исходя из частоты вращения емкости с горной породой и скорости перемещения ГСЦ инструмента со спутным потоком воздуха в радиальном направлении.
ГСЦ инструмент со спутным потоком воздуха (рис. 3.6) состоит из несущего корпуса 1, к которому через штуцер 3 подведен трубопровод подачи водоцементной суспензии. В корпусе 1 при помощи центральной гайки 2 закреплены конфузор 5 и струсформирующая насадка 4. Эти детали подвергаются интенсивному износу, поэтому они выполнены из твердого сплава ВК8, а конструкция ГСЦ инструмента позволяет их быстро заменять в ходе проведения работ на стендовой установке [72 - 74].
Влияние диаметра водоцементиой струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива
Результаты экспериментов приведенных в табл. 3.5;3.6 и на рис. 3.5;3.6. показывают, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра водоцементной струеформирующей насадки. При увеличении диаметра насадки увеличивается длина активного участка струи, что вызывает увеличение глубины обработки горной породы, а так же, одновременно возрастает расход водоцементной суспензии, а значит, увеличивается объем разрушаемой и перемешиваемой горной породы, и, следовательно, диаметр закрепленного массива. При большем значении давления воздуха так же диаметр закрепленного массива породы возрастает, так как при больших значениях давления воздуха струя обладает большей скоростью (большей кинетической энергией), таким образом достигается максимальная глубина проникновения струи.
Влияние диаметра воздушной струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива Эксперименты проводились на образцах горных пород, представленных в табл. 2.2. Формирование закрепленного массива осуществлялось при давлении воздуха Рв = 2,5 МПа, диаметре отверстия водоцементной насадки d0 = 0,0025 м, частоте вращения бурового става п = 0,33 с"1, скорости перемещения бурового става Vn = 0,005 м/с и давлении водоцементного суспензии Р =50 МПа.
В ходе экспериментов изменялся диаметр отверстия воздушной струе-формирующей насадки.
Диапазон изменения диаметра воздушной струеформирующей насадки de (м) и полученные в результате соответствующие им значения диаметра закрепленного массива D (м) приведены в табл. 3.7.
По результатам экспериментов были построены графики зависимости диаметра закрепленного массива D (м) от диаметра воздушной струеформирующей насадки de (м) представленные на рис. 3.7. D, м
Результаты экспериментов приведенных в табл. 3.7 и на рис. 3.7. показывают, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра воздушной струеформирующей насадки. Видимо, что при увеличении диаметра воздушной насадки увеличивается среда пониженной плотности, что вызывает увеличение глубины проникновения водоцементнои струи в массив горной породы, а значит, увеличивается диаметр закрепленного массива.
Эксперименты проводились на образцах горных пород, представленных в табл. 2.2. Формирование закрепленного массива осуществлялось при давлении воздуха Рв = 2.5 МПа и Рв = 4 МПа, диаметре отверстия воздушной насадки dB = 0,003 м, скорости перемещения бурового става Vn - 0,005 м/с и давлении водоцементного суспензии Р =50 МПа. В ходе экспериментов изменялась частота вращения бурового става и давление воздуха. Диапазон изменения частоты вращения бурового става п (с"1) и полученные в результате соответствующие им значения D (м) при различных давлениях воздуха приведены в табл. 3.8; 3.9.
Анализ данных, представленных в табл. 3.8; 3.9. и рис. 3.8; 3.9. позволяет утверждать, что диаметр закрепляемого массива уменьшается с увеличением частоты вращения бурового става. Это связано с тем, что при увеличении частоты вращения бурового става время воздействия водоцементной струи на единицу объема горной породы становится меньше, и как следствие, уменьшается глубина проникновения струи и, соответственно, диаметр закрепляемого массива. При большем значении давления воздуха так же диаметр закрепляемого массива породы больше, так как при больших значениях давления воздуха, водоцементная струя находится в среде пониженной плотности и обладает большей дальностью проникновения в массив.
3.6. Влияние параметров ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса
Эксперименты по установлению влияния параметров ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород на скорость приращения объема закрепляемого массива проводились на образцах горных пород, представленных в табл. 2.2. Формирование закрепленного массива осуществлялось при частоте вращения бурового става п = 0,33 с"1 , давлении водоцементного суспензии Р0 = 40 МПа и Р0 = 50 МПа и давлении воздуха Рв = 2,5 МПа и Рв = 4 МПа. В ходе экспериментов изменялась скорость перемещения бурового става, диаметр водоцементной струеформирующей насадки.
Диапазон изменения скорости перемещения бурового става Vn (м/с), диаметра струеформирующей насадки d0 (м) и полученные в результате соответствующие им значения D (м) приведены в табл. 3.10; 3.11. График зависимости диаметра закрепляемого массива D (м) от скорости перемещения бурового става Vn (м/с) для различных значений диаметра струсформирующей насадки do (м): а) — для do— 0,0020 м; б) — для d0- 0,0025 м; в) - для d0= 0,0030 м; 1 - глина; 2 - суглинок; 3 - супесь; 4 - гравий; 5 - песок Анализ данных, представленных в табл. 3.10; 3.11; 3.12; 3.13 и на рис. 3.10; 3.11; 3.12; 3.13 показывает, что с ростом скорости перемещения бурового става для всех значений диаметра струсформирующей насадки диаметр закрепляемого массива уменьшается. Для получения значений скорости приращения объема закрепляемого массива Go данные, представленные в табл. 3.10; 3.11; 3.12; 3.13 были пересчитаны по зависимости (1) и сведены в табл. 3.14; 3.15; 3.16;3.17. Таблица 3.14
Методика расчета параметров и режимов работы установки для гидроструйной цементации со спутиым потоком воздуха для закрепления неустойчивых горных пород
Данные, представленные в табл. 3.22 - 3.25. и на рис. 3.22 - 3.25. показывают, что энергоемкости процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород с увеличением скорости перемещения бурового става вначале уменьшается, достигает своего минимума и начинает увеличиваться, т. е. изменяется по зависимости близкой к параболической. Наличие точки минимальной энергоемкости процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха (максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива) соответствует рациональной скорости перемещения бурового става для данного диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения бурового става.
С целью получения функциональной зависимости для определения рациональной скорости перемещения бурового става Vpail были проведены экспериментальные исследования по установлению влияния скорости перемещения бурового става и диаметра струеформирующей насадки на скорость приращения объема закрепляемого массива (удельную энергоемкость процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха) при различных значениях частоты вращения бурового става.
Эксперименты проводились на образцах супеси (см. табл. 2.2). Формирование закрепленного массива осуществлялось при частоте вращения бурового става /7 = 0.33 с" , давлении водоцементного суспензии Рп =50 МПа и давлении воздуха Р0 =4 МПа.
В ходе экспериментов изменялась скорость перемещения бурового става, частота вращения бурового става, диаметр водоцементной струеформирующей насадки и диаметр воздушной струеформирующей насадки.
Диапазон изменения скорости перемещения бурового става Vn (м/с), частоты вращения бурового става п (с" ), диаметра воздушной струеформирующей насадки de (м), диаметра водоцементной насадки do (м) и полученные в результате соответствующие им значения D (м) приведены в табл. 3.26 -3.28.
По результатам экспериментов были построены графики зависимости диаметра закрепляемого массива D (м) от скорости перемещения бурового става Vn (м/с) для различных значений диаметра воздушной струеформиру ющей насадки da (м), диаметра водоцемснтпой струсформирующей насадки do (м) и частоты вращения бурового става п (с )
Анализ данных, представленных в табл. 3.10 и на рис. 3.9 показал, что для любой часгоіьі вращения бурового сгава скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения бурового става вначале увеличивается, достигает своего максимума и начинает уменьшаться, т. е. изменяется по зависимости близкой к параболической. С увеличением давления воздуха скорость так же увеличивается и диаметр закрепляемого массива тоже увеличиваемся. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ со спутиым потоком воздуха) соответствует рациональной скорости перемещения буровою сіава для данного диамеїра сіруеформирующей насадки и частоты вращения бурового става.
С целью получения значений рациональной скорости перемещения бурового става для различных часі от вращения бурового става и соответствующих им максимальных скоростей приращения объема закрепляемого массива были построены аппроксимирующие кривые, которые исследовались на экстремум.
Индекс корреляции для данного выражения составил г = 0,96 , критерий Фишера F=z32,4. Криіическое значение критерия Фипіера для зависимости (4.1) при 5% уровне значимости составляет F0o5= 4,06 [25], что подтверждает адекватность описания физического процесса данной математической зависимостью. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными по формуле (4.1) показано на рис. 4.10. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Кьар= 24,8%, что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий. І Іаибольший практический интерес представляет получение обобщенных зависимостей, позволяющих с известной степенью точности рассчитывать диаметр закрепляемого массива и энергоемкость процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха при различных условиях и давлении воздуха.
Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива D зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость переме ни. щения бурового става Vn, давление водоцемептіюй суспензии Р0, частота вращения бурового става п, диаметр отверстия струеформирующей насадки d(), коэффициент сцепления С, давлении воздуха Рв. Таким образом, зависимость между диаметром закрепляемого массива и параметрами ГСЦ со спутным потоком воздуха горных пород можно представить в виде D = f(Pe,d0,de,Po,Vn,n,C), (3.2) где D{) - диаметр пилотной скважины, м, d0 - диаметр струеформиру ещей насадки, м, de - диаметр воздушной струеформирующей насадки, м, Р -давление водоцеменпюй суспензии, МПа, Рв - давление воздуха, МПа, Уи -скорость перемещения бурового става, м/с, п - частота вращения бурового става, с , С - коэффициент сцепления горной породы, МПа.
Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр закрепляемого массива приводит к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Неудобство пользования этими кривыми заключается в том, что разрозненные частные зависимости, связывающие между собой отдельные переменные (параметры) при фиксированном значении других параметров, не объединены общим уравнением и не могут дать полной отчетливой картины процесса ГСЦ со спутным потоком воздуха. Поэтому для получения обобщающих количественных зависимостей необходимо изыскать графоаналитический метод, которых позволит обобщить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между параметрами зависимости (3.1).
