На правах рукописи

ГОЛОВИН Константин Александрович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ НЕУСТОЙЧИВЫХ ПОРОД В ГОРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Специальность 05.05.06 - Горные машины А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула - 2007 2

Работа выполнена на кафедре Геотехнологий и геотехники в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТуГУ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Бреннер Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ушаков Леонид Семенович ГОУ ВПО ОрёГТУ доктор технических наук, профессор Юнгмейс тер Дмитрий Алексеевич ГОУ ВПО СПбГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова доктор технических наук, профессор Сидоров Петр Григорьевич ГОУ ВПО ТуГУ Ведущая организация - ФГУП НН - ГП - ИГД им. А.А. Скочинского

Защита состоится 7 ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при ГОУ ВПО Тульский государственный университет (300600, г.Тула, пр. Ленина, 90, ауд. 6-311).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТуГУ.

Автореферат разослан л1 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Е. Пушкарев 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительс тве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т. д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочнос ть и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды. 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 производительнос ти 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 машинос троительной 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 ГС - горных пород (Jеt 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. 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 ГС - 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 ГС - горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру, однако практически минуя при этом горную промышленность.

В силу своей новизны и коммерческой ценности, результаты научных исследований, посвященных установлению закономернос тей закрепления горных пород способом ГСЦ, в открытой печати практически не публикуются, а существующие технологические и конструктивные решения ГС - 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 ГС - неустойчивых пород для нужд горной промышленнос ти в России в настоящее время отсутс твует. Объясняется это следующими причинами. Представления о механизме ГС - горных пород противоречивы и не имеют дос таточного обоснования. Отсутствуют научнообоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров и установлению обобщающих зависимостей для определения показателей процесса ГС - горных пород, которые позволили бы разработать методику расчета соответствующего оборудования. Кроме того, для реализации технологии ГС - помимо базовой машины и насосного агрегата, требуются исследования и разработка специального оборудования, а именно буровых ставов и их 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 ГС - горных пород.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных исследований, направленных на обоснование параметров и создание оборудования для ГС - неустойчивых пород в горном производстве, и определяет актуальность работы.

Работа выполнялась в рамках государственного контракта 65-К-9/Разработка буровой установки для возведения высоконагруженных грунтобетонных свай.

Цель работы. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неус тойчивых 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 соответс твует 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 ГС - неустойчивых горных пород;

теоретические исследования на базе математического моделирования и численных экспериментов процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом; экспериментальные исследования процесса ГС - 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 ГС - неус тойчивых горных пород, является коэффициент сцепления, имеющий тесную корреляционную связь с диаметром закрепляемого породного массива.

2. Разработан метод математического описания процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной с труи с породным массивом, основанный на предс тавлении горных пород как плас тической среды, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора и позволяющий прогнозировать результаты ГС - пород для различных условий и описать механизм проникновения струи в массив как последовательного отделения (сдвига) слоёв породы под действием гидродинамического давления на площади поверхнос ти контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления и трения вдоль поверхности сдвига.

3. Установлены закономерности процесса ГС - неус тойчивых 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 и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива скорость перемещения буровой колонны, которая в свою очередь зависит от частоты ее вращения и диаметра отверс тия 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 ГС - 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 корректнос тью постановки задач; предс тавительным 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 ГС - горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.

Научное значение работы заключается в развитии теории взаимодействия высокоскоростной водоцементной с труи с породным массивом и установлении основных закономерностей процесса ГС - 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 конс трукция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса ГС - 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 ГС - неустойчивых горных пород с учетом час тоты ее вращения и диаметра отверс тия струеформирующей насадки;

- разработаны конструкции узлов бурового става: гидросъемников, буровых штанг и гидромониторов, обеспечивающих возможность реализации технологии ГС - горных пород;

- разработан типоразмерный ряд водоцементных насосных установок по мощности привода от 50 до 420 кВт и соответс твующий 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 ГС - неус тойчивых горных пород;

- создан экспериментальный образец бурового станка СГСЦ-1, оснащенный АСУ процессом ГС - горных пород, - разработана и реализована на персональном компьютере инженерная методика расчета.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, включены в 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 ГС - горных пород и энергетических характерис тик насосного оборудования, а также пакеты прикладных программ по математическому моделированию процесса ГС - неустойчивых горных пород и методики расчета переданы НН - ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, г. 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 ГС - неус тойчивых 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 ТуГУ.

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 с тудентов ТуГУ, обучающихся по направлению 150400 Технологические машины и оборудование, а также Гидроструйные технологии и оборудование и Основы проектирования горных машин и оборудования для с тудентов ТуГУ, 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, 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.