Содержание к диссертации
Введение
Способы и средства придания массивам неустойчивых пород регламентированных физико-механических свойств 14
1.1. Анализ способов закрепления неустойчивых горных пород 14
1.1.1. Искусственное замораживание горных пород 15
1.1.2. Водопонижение 2 О
1.1.3. Закрепление горных пород связывающими растворами 21
1.1.4. Химическое закрепление горных пород 23
1.1.4.1. Силикатизация 24
1.1.4.2. Смолизация 28
1.1.4.3. Битумизация 29
1.1.5. . Электрохимическое закрепление горных пород 30
1.2. Специальные способы ведения работ в неустойчивых
горных породах 31
1.3. Гидроструйная цементация неустойчивых пород 36
1.3.1. Техническая сущность гидроструйной цементации неустойчивых горных пород 36
1.3.2. Состав I омплекта оборудования реализации технологии ГСЦ неустойчивых пород 49
1.3.2.1. Источник водоцементной суспензии
высокого давления 49
1.3.2.2. Буровые установки для ГСЦ 57
1.3.3. Опыт практического применения машин для ГСЦ горных пород 64
1.3.3.1. Ограждение стен котлованов 64
1.3.3.2. Закрепление массива при проходческих работах 68
1.3.3.3. Закрепление массива при подземном
строительстве 69
1.3.4. Перспективы развития технологии ГСЦ для горной промышленности 72
1.4. Цель и задачи исследований 78
2. Разработка расчетной модели гидравлического разрушения горных пород водоцементными затопленными струями 80
2.1. Краткий анализ расчетных моделей гидравлического разрушения горных пород высокоскоростными струями 80
2.2. Разработка метода расчета показателей процесса ГСЦ горных пород 95
Выводы 105
3. Методика и техника исследований 107
3.1. Факторы и показатели процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород 107
3.2. Общие положения методики 110
3.3. Стендовая база 113
3.4. ГСЦ инструмент 119
3.5. Характеристика горных пород 120
Выводы 125
4. Экспериментальные исследования влияние параметров процесса ГСЦ горных пород на эффективность закрепления массива на стендовой установке 126
4.1 Влияние давления водоцементной суспензии на диаметр закрепляемого массива 126
4.2 Влияние скорости подъема буровой колонны на диаметр закрепляемого массива 128
4.3 Влияние диаметра струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива 130
4.4 Влияние частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива 132
4.5 Влияние параметров ГСЦ горных пород на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса 134
4.6. Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке и проверка адекватности расчетной модели 155
Выводы 159
5. Разработка буровых ставов для реализации технологии ГСЦ горных пород 160
5.1. Разработка параметрического и типоразмерного рядов буровых ставов (источников высокого давления водоцементной суспензии) для реализации технологии
ГСЦ горных пород 160
5.2. Разработка элементов буровой ставов (гидросъемник, гидромонитор, буровые штанги) 171
5.2.1. Устройство и работа гидросъемника 172
5.2.2. Устройство и работа буровой штанги 174
5.2.3. Устройство и работа гидромонитора 176
5.3. Испытания элементов буровых ставов 177
5.4. Разработка автоматической системы управления процессом ГСЦ горных пород (АСУ ГСЦ) 183
5.5. Разработка конструкции станка для ГСЦ горных пород и его испытания 189
Выводы 208
6. Анализ возможных вариантов практической реализации технологии ГСЦ горных пород 210
6.1. Перспективы применения технологии ГСЦ горных пород 210
6.2. Методика расчета конструктивных параметров ГСЦ
инструмента, р жимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования 221
Выводы 226
Заключение 228
Литература 232
- Искусственное замораживание горных пород
- Разработка метода расчета показателей процесса ГСЦ горных пород
- ГСЦ инструмент
- Влияние скорости подъема буровой колонны на диаметр закрепляемого массива
Введение к работе
В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительстве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т. д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочность и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды [1 - 5]. К таким способам относятся: искусственное замораживание горных пород, закрепление их связывающими растворами, химическое и электрохимическое закрепление горных пород, водопонижение, а также специальные способы проходки горных выработок, например, кессонный. Общими недостаткам этих способов закрепления неустойчивых горных пород помимо, главным образом, низкой надежности и производительности являются также значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы.
Между тем, в последнее время на рынке машиностроительной техники, главным образом за рубежом (Япония Италия и Англия), появилось большое количество оборудования, использующего для закрепления в основном грунтов способ гидроструйной цементации (ГСЦ) при строительстве оснований и фундаментов, возведении свай и т.д. Сущность ГСЦ горных пород (Jet grouting) заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в породный массив и вращающейся в плоскости перпендикулярной оси предварительно пробуриваемой до проектной отметки скважины с одновременным перемещением вдоль этой оси обратным ходом до следующей проектной отметки без создания в массиве избыточного давления [6 - 10]. В результате разрушения и перемешивания горной породы суспензионной струей формируется закрепленный породный массив цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала - породобетона. Необходимо отметить, что ГСЦ позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных горных пород как природного, так и техногенного происхождения. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в последнее десятилетие способ ГСЦ горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру, однако практически минуя при этом горную промышленгость.
В силу своей новизны и коммерческой ценности, результаты научных исследований, посвященных установлению закономерностей закрепления горных пород способом ГСЦ, в открытой печати практически не публикуются, а существующие технологические и конструктивные решения ГСЦ грунтов имеют специфику, характерную, прежде всего, для строительной отрасли и не могут в имеющемся виде быть использованы при проектировании горного оборудования. Производство же специальных буровых установок для реализации технологии ГСЦ неустойчивых пород для нужд горной промышле ности в России в настоящее время отсутствует. Объясняется это следующими причинами. Представления о механизме ГСЦ горных пород противоречивы и не имеют достаточного обоснования. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров и установлению обобщающих зависимостей для определения показателей процесса ГСЦ горных пород, которые позволили бы разработать методику расчета соответствующего оборудования. Кроме того, для реализации технологии ГСЦ помимо базовой машины и насосного агрегата, требуются исследования и разработка специального оборудования, а именно буровых ставов и ьх элементов (гидросъемника - устройства, предназначенного для передачи высоконапорного суспензионного потока от неподвижного подводящего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны, буровых штанг и гидромонитора), а также автоматической системы управления (АСУ) процессом ГСЦ горных пород.
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных исследований, направленных на обоснование параметров и создание оборудования для ГСЦ неустойчивых пород в горном производстве, и определяет актуальность работы.
Работа выполнялась в рамках государственного контракта 65-К-9/2209 «Разработка буровой установки для возведения высоконагруженных грунтобетонных свай».
Цель работы. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород на основе установленных закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями, что обеспечивает повышение эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ.
Идея работы заключается в использовании эффекта повышения прочности и устойчивости горных пород в массиве путем разрушения и перемешивания их высокоскоростными водоцементными струями и создании на основе установленных закономерностей, и при рациональных параметрах этого процесса эффективного оборудования для закрепления неустойчивых пород с учетом специфики горного производства.
Работа соответствует шифру специальности 05.05.06 - Горные машины, ее формуле, а также пунктам «Изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды», «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов», «Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями» области исследования.
Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение способов и средств для закрепления неустойчивых горных пород; обобщение опыта эксплуатации оборудования для получения высокоскоростных струй и результатов работ по ГСЦ неустойчивых горных пород; теоретические исследования на базе математического моделирования и численных экспериментов процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом; экспериментальные исследования процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с использованием разработанных буровых ставов в стендовых и промышленных условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
1. Основным показателем физико-технических свойств породного массива, определяющим процесс ГСЦ неустойчивых горных пород, является коэффициент сцепления, имеющий тесную корреляционную связь с диаметром закрепляемого породного массива.
2. Разработан метод математического описания процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом, основанный на представлении горных пород как пластической среды, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора и позволяющий прогнозировать результаты ГСЦ пород для различных условий и описать механизм проникновения струи в массив как последовательного отделения (сдвига) слоев породы действием гидродинамического давления на площади поверхности контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления и трения вдоль поверхности сдвига.
3. Установлены закономерности процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструмента, а также коэффициента сцепления горных пород, обеспечивающие обоснование показателей и режимов работы буровых ставов.
4. Существует рациональная с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат 1 максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива скорость перемещения буровой колонны, которая в свою очередь зависит от частоты ее вращения и диаметра отверстия струеформирующей насадки.
5. При бурении пилотной скважины на буровом инструменте следует осуществлять мониторинг крутящего момента, имеющего тесную корреляционную связь с коэффициентом сцепления горных пород. На этом основании при обратном ходе буровой колонны по мере изменения коэффициента сцепления необходимо корректировать режимные параметры в соответствии с установленными закономерностями процесса ГСЦ горных пород в области минимальных удельных энергозатрат для обеспечения гарантированого качества закрепляемого массива требуемой формы в виде тела вращения и прочности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 - 0,99); удоволетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 22,5 %); опытом использования методики расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Научное значение работы заключается в развитии теории взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом и установлении основных закономерностей процесса ГСЦ неустойчивых горных пород, а также разработке на этой основе методов расчета соответствующего оборудования, позволяющих находить его рациональное сочетание, выбирать и оптимизировать параметры, управлять ими, определять рациональные режимы работы и условия применения в горном производстве.
Практическое значение работы:
разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса ГСЦ горных пород в широком диапазоне изменения режимных параметров;
- получена расчетная зависимость для определения диаметра закрепляемого породного массива, учитывающая конструктивные и режимные параметры технологического инструмента, а также прочностные свойства горных пород;
- получена расчетная зависимость для определения рациональной скорости перемещения буровой колонны при ГСЦ неустойчивых горных пород с учетом частоты ее вращения и диаметра отверстия струсформирующей насадки;
- разработаны конструкции узлов бурового става: гидросъемников, буровых штанг и гидромониторов, обеспечивающих возможность реализации технологии ГСЦ горных пород;
- разработан типоразмерный ряд водоцементных насосных установок по мощности привода от 50 до 420 кВт и соответствующий ему параметрический ряд буровых ставов по давлению водоцементной суспензии от 40 до 60 МПа с учетом диаметра отверстия струеформирующей насадки;
- установлены значения экономически целесообразного проходного сечения буровых ставов в соответствии с мощностью привода применяемого насосного оборудования;
- разработана и предложена принципиальная схема работы АСУ процессом ГСЦ неустойчивых горных пород;
- создан экспериментальный образец бурового станка СГСЦ-1, оснащенный АСУ процессом ГСЦ горных пород,
- разработана и реализована на персональном компьютере инженерная ме одика расчета.
Реализация результатов работы.
Результаты исследс заний, изложенные в диссертации, включены в 3 научных отчета по хоздоговорным и госбюджетным темам, выполненным на основании заказов от Администрации Тульской области, Тульского регионального отделения Академии горных наук (ТРО АГН). Материалы диссертационной работы в виде рекомендаций и инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования, а также пакеты прикладных программ по математическому моделированию процесса ГСЦ неустойчивых горных пород и методики расчета переданы ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, i. Москва, ОАО НВСП «Техпрогресс», г. Санкт- Петербург, и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» (СМЗ) и использованы при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов оборудования для реализации технологии ГСЦ неустойчивых горных пород.
Опытные образцы буровых ставов прошли промышленные испытания на ОАО НВСП «Техпрогресс» и приняты к производству на ООО «СМЗ». Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий ТулГУ.
Результаты работы также использованы ТРО АГН и ООО «СМЗ» при создании гидромеханических исполнительных органов и универсальной системы высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП-21.
Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Бурильные машины и установки» для студентов ТулГУ, обучающихся по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование», а также «Гидроструйные технологии и оборудование» и «Основы проектирования горных машин и оборудования» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Пакеты расчетных программ используются при курсовом и дипломном проектировании, а также подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на 1-ой международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Тула, 1997 г.), 5-ой международной конференции стран Тихоокеанского региона «Водоструйные технологии» (г. Дели, Индия, 1998 г.), 14-ой интернациональной конференции «Струйные технологии» (г. Брюгге, Бельгия, 1998 г.), международной конференции «Новые применения водоструйной технологии» (г. Исиномаки, Япония, 1999 г.), научно- технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», (г. Тула, 2000 г.), 2-ой Международной конференции по проблемам рационального природопользования, (г. Тула, 2002 г.), 3-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), 4-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем» (г. Тула, 2002 г.), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики (г. Тула, 2003 г.),научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 2004-2007 гг.), технических советах ОАО НВСП «Техпрогресс» (г. Санкт-Петербург 2004-2007 гг.), и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» (г. Тула, 2004-2007 гг.), международных конференциях «Гидроструйные технологии» (2003, 2006 гг.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005, 2006, 2007 гг.), 2-ом и 3- ем международном северном социально-экологическом конгрессе «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2006, 2007 гг.), Ш-ем международном научном симпозиуме (г. Орел, 2006 г.),. IV семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 2007 г.),
Искусственное замораживание горных пород
Для создания ледопородного ограждения предварительно по контуру будущей выработки через всю толщу водоносных пород бурят скважины, заглубляя концы их на 2 - 5 м в водоупорный пласт (глины, плотные безводные сланцы, мергели). Расстояние между этими скважинами определяется проектом из расчета, что радиус намораживаемого вокруг скважины ледопородного цилиндра составляет 1,25 - 1,5 м.
В случаях, когда не представляется возможным заглубить контурные замораживающие скважины в водоупор, породный массив замораживают по всему сечению сооружаемой выработки, для чего замораживающие скважины бурят и внутри контурных скважин.
В пробуренные скважины опускают замораживающие трубы - колонки с наглухо заваренным нижним концом (дном) (см. рис. 1.1). В колонки, не доходя до дна их на 0,4 -0,5 м, опускают трубы меньшего диаметра с открытым нижним концом — питающие трубы.
Замораживающие колонки через специальные оголовки соединяют в расположенную на поверхности общую систему, состоящую из трубы- распределителя, по которой к питающим трубам подается охлажденный рассол, и трубы-коллектора, отводящей рассол из колонок к той же станции.
На замораживающей станции монтируют насосно-компрессорные агрегаты и устройства, предназначенные для обеспечения работы всей системы замораживания. Холодный рассол насосами нагнетается в распределитель, откуда он равномерно расходится по питающим трубам замораживающих колонок. Достигнув дна колонки, рассол, давление которого поддерживается насосами на станции, поднимается вверх по кольцевому пространству между питающей трубой и замораживающей колонкой, омывая ее внутренние стенки. При этом происходит теплообмен: рассол отнимает тепло у горной породы, окружающей колонку, и понижает ее температуру, что постепенно приводит к замораживанию породного массива. Затем из колонки через оголовок рассол поступает в коллектор, а из него — на замораживающую станцию, где вновь охлаждается.
Охлаждение рассола происходит следующим образом. Компрессор сжимает засасываемые из испарителя пары жидкого аммиака до давления 0,8 - 1,2 МПа, при этом происходит нагрев паров аммиака. Сжатые пары аммиака поступают по трубопроводу в конденсатор, состоящий из труб, постоянно омываемых холодной водой, где пары аммиака охлаждаются, превращаясь в жидкость. Жидкий аммиак поступает в испаритель. Секции испарителя находятся в баке, заполненном рассолом, замерзающим при температуре - 34 С. Испаряясь, жидкий аммиак отнимает от рассола значительное количество тепла, необходимое для парообразования, при этом рассол охлаждается до температуры -20...-26 С. Затем с помощью центробежного насоса охлаждаемый рассол нагнетается в распределитель, из которого поступает в замораживающие колонки, и, отдавая часть холода горной породе, возвращается обратно по коллектору в испаритель для повторного охлаждения. Далее цикл повторяется [11].
Постепенно вокруг каждой колонки образуется массив замороженной горной породы цилиндрической формы. При дальнейшем замораживании объем замороженных цилиндров увеличивается, и они смерзаются между собой в сплошной кольцевой массив (см. рис. 1.2).
Время, необходимое для образования замороженного массива, зависит от гидрогеологических условий, числа замораживающих колонок, температуры циркулирующего рассола, проектной толщины замороженного массива. Ориентировочный срок для создания замороженного контура при расстоянии между скважинами 1,25 м колеблется в пределах от 40 до 60 суток при круглосуточной работе замораживающей станции. Этот процесс называют активным замораживанием. Чтобы массив поддерживался в замороженном состоянии, замораживающая станция в течение всего времени проходки в замороженной зоне работает по режиму, определяемому в проекте (в одну или две смены в сутки),— это период поддержания замораживания.
Последовательность образования ледопородного кольцевого массива вокруг стр.эла шахты: а — начальный период; б — середина процесса; в — конец замораживания
Производство проходческих и строительных работ в замороженной зоне имеет ряд особенностей. Работы следует вести при тщательном контроле за состоянием ледопородного ограждения и режимом работы замораживающей станции для сохранения размеров ледопородного ограждения и его температуры.
При разработке горных пород буровзрывным способом необходимо соблюдать меры предосторожности, не допускать деформации ледопородного ограждения и повреждения замораживающих колонок.
Другой разновидностью технологии замораживания горных пород является низкотемперат) рное замораживание с использованием жидкого азота. Жидкий азот, представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна 195,8 С).
В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).
Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ, в сравнении с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод [12].
На замораживание 1 м3 горной породы с содержанием воды до 30% расходуется около 1000 л жидкого азота.
При низкотемпературном замораживании колонки соединяют последовательно в одну систему. Жидкий азот поступает во внутреннюю (питающую) трубу первой замораживающей колонки. В кольцевом пространстве колонки жидкий азот испаряется и в газообразном состоянии поднимается к оголовку колонки, откуда затем по трубопроводу поступает в питающую трубу соседней колонки и т. д. (см. рис. 1.3). Из последней колонки системы он поступает в атмосферу при температуре около - 40С.
Разработка метода расчета показателей процесса ГСЦ горных пород
Закрепленные по методу ГСЦ массивы горных пород обладают вы юкими прочностными характеристиками. Эти характеристики сильно зависят от исходного породного массива, в котором проводятся работы. Наивысшие результаты по прочности породобетона могут быть получены в гравийных или песчано-гравийных породах (см. табл. 1.1) [17].
Таким образом, анализ показывает, что технология ГСЦ горных порот., является современной перспективной технологией задания массивам неустойчивых пород регламентированных физико-механических свойств
Из обширного списка практических приложений технологии ГСЦ можно привести основные:
- устройство ограждающих конструкций при проходке вертикальных и горизонтальных горных выработок без остановки производственных процессов;
- сплошное укрепление массива неустойчивых горных пород путем создания взаимно пересекающихся закрепленных элементов массива дня последующего проведения проходческих работ по устойчивой породе (породобетону) с регламентированными физико-механическими свойствами;
- устройство противофильтрационных завес способом «стена в массиве» для защиты водоносных горизонтов и предотвращения фильтрационных деформаций берегов рек, гидротехнических сооружений:
- крепление стенок и дна котлованов при строительстве подземных сооружений в обводненных и неустойчивых горных породах;
- устройство породобетонных свай в основании проектируемых фундаментов плитного, ленточного или столбчатого типа (устройство ленточных фундаментов и сплошных фундаментных плит осуществляется взаимно пересекающимися породобетонными массивами; устройство породобетонных конструкций с армированием железобетонным сердечником или стальным каркасом;
- проведение противооползневых мероприятий путем сооружения подпорных стен для повышения устойчивости склонов и откосов.
К преимуществам технологии ГСЦ по сравнению с технологиями упрочнения неустойчивых горных пород, описанных в п. 1.1, можно отнести следующие:
- высокая скорость выполнения работ по закреплению массива; принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных условиях горных выработок (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь инъекционный комплекс может располагаться на некотором удалении, например в капитальной горной выработке);
- возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;
- отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);
- чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты, материалы и стоимость работ).
Вместе с тем при применении технологии ГСЦ горных пород встречаются проблемы и затруднения.
К существенным недостаткам можно следующие:
- сложность контроля качества формы получаемого закрепленного массива из-за неоднородности свойств закрепляемых горных пород по длине пилотной скважины (в результате может наблюдаться значительное увеличение диаметра закрепляемого массива на участке с более слабыми горными породами, что опять приводит к перерасходу цемента, либо уменьшение диаметра закрепляемого массива на участке с более прочными породами);
- так как разрушение и перемешивание горной породы требует высоких значений кинетической энергии суспензионной струи, для реализации технологии ГСЦ необходимо применение мощного высоконапорного насосного оборудования с давлением нагнетания от 40 до 60 МПа;
- относительно невысокий ресурс работы гидросъемника, узла передающего высокоабразивный материал - водоцементную суспензию под значительным давление м во вращающуюся буровую колонну и непосредственного ГСЦ инструмента, в котором происходит преобразование высокого давления водоцементного раствора, развиваемого насосной установкой, в кинетическую энергию струи.
Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ неустойчивых пород
Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по ГСЦ горных пород с использованием варианта однокомпонентной технологии, как технологии наиболее простой для реализации и одновременно имеющей значительные потенциальные возможности, состоит из источника водоцементной суспензии высокого давления и буровой установки со специализированным навесным оборудованием [1, 7, 10, 18-20].
Источник водоцементной суспензии высокого давления
Источник водоцементной суспензии высокого давления, в свою очередь, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления, миксерная станция, силос для хранения цемента Все перечисленные элементы объединяются при помощи системы трубопроводов.
Исходя из того, что струйное разрушение и перемешивание горной породы требует высоких значений кинетической энергии водоцементной струи, для укрепления массива горных пород с использованием технологии ГСЦ необходимо применение мощного высоконапорного цементировочного насоса. Анализ литературных источников и результатов собственных предварительных исследований показал, что давление нагнетания должно составлять от 40 до 60 МПа [16].
Оборудование, полностью отвечающее требуем технологическим параметрам, на сегодняшний день, выпускается серийно как отечественной, так и зарубежной промышленностью.
В подавляющем большинстве случаев, цементировочный насос выполняется по трехплунжерной схеме с приводом от электрического или дизельного двигателя. Передача кинематической энергии двигателя к плунжерам осуществляется, чаще всего, через ременную передачу и кривошипно-шатунный механизм.
ГСЦ инструмент
Работы по гидроструйной цементации (далее по тексту ГСЦ) горных пород выполняются в два этапа.
На первом этапе, во время прямого хода буровой колонны, производится бурение пилотной скважины диаметром / 0 до проектной отметки, предусмотренной для формирования закрепленного массива (рис. 3.1). Промывочный растьор под низким давлением (чаще всего до 5 МПа) поступает через канал в буровой колонне к механическому разрушающему инструменту и осуществляет удаление шлама методом прямой промывки. В качестве промывочного раствора традиционно используются вода, бентонитовый или цементный раствор [1,4, 6, 48 -51].
На втором этапе, перед процессом обратного хода буровой колонны, в промывочный канал подается водоцементный раствор под высоким давлением Р. Автоматическое клапанное устройство, реагируя на повышение давления подаваемого раствора, перекрывает каналы промывки, одновременно открывая подачу раствора (с плотностью р) в струеформирующее устройство (диаметром г/0, коэффициентом расхода //), расположенное в непосредственной близости от бурового инструмента и сориентированное таким образом, чтобы высокоскоростные водоцементные струи истекали в направлении, перпендикулярном оси пилотной скважины. После этого осуществляется перемещение буровой колонны (со скоростью V) с одновременным ее вращением с частотой п.
После выполнения полного обратного хода из скважины удаляется буровая колонна. Таким образом, после затвердевания, формируется 3aiрепленный массив (диаметром D) и длиной, равной длине пилотной скважины. 1 - буровая колонна; 2 - струеформирующая насадка; 3 - водоцементная суспензионная струя; 4 - механический буровой инструмент; 5 - породобетон; 6 - закрепляемый исходный массив; - диаметр пилотной скважины, м; X) - диаметр закрепляемого массива, м; р - плотность водоцементной суспензии, кг/м ; /У - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; й?0 - диаметр струеформируещей насадки, м; Р- давление цементного раствора, МПа; V- скорость перемещения буровой колонны, м/с; П - частота вращения буровой колонны, с"1; С - коэффициент сцепления горной породы, МПа Все перечисленные факторы процесса ГСЦ можно разделить на следующие группы: - конструктивные: диаметр пилотной скважины 2 0, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку //, диаметр отверстия струеформируещей насадки /0; - режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения буровой колонны V, частота вращения буровой колонны я, давление водоцементной суспензии Р; - физико-технические свойства горных пород.
В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива Э, скорость приращения объема закрепляемого породного массива 70 (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород Е Скорость приращения объема закрепляемого массива С0 (м /с) определялась по формуле: (3.1) где 2) - диаметр закрепляемого массива, м; V - скорость перемещения буровой колонны, м/с. Удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород Е0 (МДж/м3) мощность насосной установки, МВт; В свою очередь, потребляемая гидравлическая мощность определяется по формуле определяется по формуле: Еф= г, (3.2) где N- потребляемая гидравлическая [52]: где Р - давление цементного раствора перед насадкой, МПа; й?0 - диаметр струсформирующей насадки, м; ц - коэффициент расхода через насадку (в на аем случае Л = 0,75); - ускорение свободного падения, м/с ; р - плотность водоцементной суспензии, кг/м (в нашем случае р = 2000 кг/м3). Исследования процесса ГСЦ горных пород является весьма сложной теоретической задачей. Взаимодействие суспензионной струи с массивом зависит от целого ряда случайных факторов, часть из которых просто невозможно учесть. Поэтому изучение процесса ГСЦ горных пород проводилось, в том числе, с применением экспериментально-статистического метода [53 - 60], предусматривающего проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики.
Влияние скорости подъема буровой колонны на диаметр закрепляемого массива
Анализ данных, представленных в табл. 4.9 и на рис. 4.8 показывает, что с ростом скорости перемещения буровой колонны для всех значений диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны диаметр закрепляемого массива уменьшается.
Для получения значений скорости приращения объема закрепляемого массива (70 данные, представленные в табл. 4.9 были пересчитаны по зависимости (3.1) и сведены в табл. 4.10.
По результатам экспериментов были построены графики зависимости скорости приращения объема закрепляемого массива G() (м /с) от скорости перемещения буровой колонны V (м/с) для различных значений диаметра струеформирующей насадки й0 (м) и частоты вращения буровой колонны п (с"1) представленные на рис. 4.9 а, б, в.
Анализ данных, представленных в табл. 4.10 и на рис. 4.9 показал, что для любой частоты вращения буровой колонны скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения буровой колонны вначале увеличивается, достигает своего максимума и начинает уменьшаться, т. е. изменяется по зависимости близкой к параболической. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ) соответствует рациональной скорости перемещения буровой колонны для данного диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны.
С целью получения значений рациональной скорости перемещения буровой колонны для различных частот вращения буровой колонны и соответствующих им максимальных скоростей приращения объема закрепляемого массива были построены аппроксимирующие кривые, представленные на рис. 4.9, которые исследовались на экстремум.
Для удобства анализа результаты аппроксимации были ведены в табл. По данным табл. 4.11 методом множественной регрессии была получена функциональная зависимость рациональной скорости перемещения буровой колонны от диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны: VpaH = O,16do0 55n010. (4.1)
Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,97, а критерий Фишера F=46,7. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (4.1) при 5% уровне значимости составляет Fo,os= 4,06 [53], что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар- 7,7 % (рис. 4.10), что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Таблица 4.11.
По результатам экспериментов, представленных в табл. 4,12 были построены графики зависимости удельной энергоемкости процесса ГСЦ горных пород Е0, МДжм от скорости перемещения буровой колонны V (м/с) для различных значений диаметра струеформирующей насадки й0 (м) и частоты вращения буровой колонны п (с1) представленные на рис. 4.11 а, б, в.
Анализ данных, представленных в табл. 4.12. и на рис. 4.11. показал, чти энергоемкости процесса ГСЦ горных пород с увеличением скорости пермещения буровой колонны вначале уменьшается, достигает своего минимума и начинает увеличиваться, т. е. изменяется по зависимости близкой к параболической. Наличие точки минимальной энергоемкости процесса ГСЦ (максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива) соответствует рациональной скорости перемещения буровой колонны для данного диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны.
Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке и проверка адекватности расчетной модели
Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории ве; оятности и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий. Наибольший практический интерес представляет получение обобщенных зависимостей, позволяющих с извест юй степенью точности рассчитывать диаметр закрепляемого массива и энергоемкость процесса ГСЦ при различных условиях.
Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива D зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения буровой колонны V, давление водоцементной суспензии Р, частота вращения буровой колонны п, диаметр отверстия струеформирующей насадки /0, коэффициент сцепления С.
Кроме того, на процесс ГСЦ также оказывают влияние коэффициент расхода суспензии через насадку //, плотность водоцементной суспензии р и диаметр пилотной скважины D0.
Таким образом, зависимость между диаметром закрепляемого массива и параметрами ГСЦ горных пород можно представить в виде D = fj (D0, р, ц, d0, Р, К п, С), (4.2) где D0 - диаметр пилотной скважины, м, р - плотность водоцементной суспензии, кг/м , // - коэффициент расхода через струеформирующую насадку, - диаметр струеформируещей насадки, м, Р - давление водоцементной суспензии, МПа, V - скорость перемещения буровой колонны, м/с, п - частота вращения буровой колонны, с"1, 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. 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 (4.2).
