Геммерлінг Олег Альбертович

УДК 622.232.522.24: 622.031.2

ОБҐРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ІМПУЛЬСНОГО СТРУМЕНЯ МАШИНИ ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ свердловин НА КРУТИХ І КРУТОпохилих пластах

Спеціальність 05.05.06 - “Гірничі машини”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДОНЕЦЬК – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Бойко Микола Григорович,

Донецький національний технічний університет,

завідуючий кафедрою “Гірнича механіка”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Логвінов Микола Григорович, Донецький національний технічний університет, завідуючий кафедрою “Теоретична механіка”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Мялковський Валентин Йосипович, ВАТ  “Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М. М. Федорова”, заступник голови правління – заступник директора з наукової роботи

Провідна установа:

Національний гірничій університет, кафедра “Гірничі машини”, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 16 січня 2004 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, навчальний корпус № , ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, навчальний корпус № 2.

Автореферат розісланий 25 листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05,

доктор технічних наук, професор М. Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Центральний район Донбасу є основним постачальником вугіль коксівних марок. Тому, для успішної роботи промислового комплексу Донбасу необхідно розробити ефективні способи відпрацьовування тонких крутих пластів Центрального вугленосного району. Таким чином, повна механізація очисних і підготовчих робіт на шахтах, що розробляють дуже тонкі і тонкі круті пласти, є однією з першочергових задач вчених, конструкторів і виробничників. Практика і результати досліджень у нашій країні і за рубежем показує, що для рішення цих задач доцільний гідравлічний спосіб руйнування.

Для підготовки нового очисного вибою на крутих і крутопохилих пластах потрібно пробурити свердловину на усю висоту поверху довжиною 120-150 м. Застосування механічних бурових машин типу ЛБС, БШ-2М, БГА, “Стріла-77” та ін. супроводжується цілим рядом проблем: скривлення свердловини, обвалення стінок свердловини, викиди вугілля і газу й ін. Одним з можливих способів ліквідації зазначених недоліків механічного буріння свердловини є проведення свердловини за допомогою імпульсного струменя рідини, що має більш високу руйнівну здатність у порівнянні зі стаціонарним струменем, який використовується в агрегатах типу КБГ, АГС і ГВД, які випускаються серійно.

Актуальність роботи обумовлена необхідністю підвищення продуктивності і точності проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах при підготовці нового очисного вибою і підвищення безпеки праці у порівнянні з існуючими установками. Необхідно визначити характер взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин на крутих пластах. Розроблена на базі цих досліджень математична модель процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин склала основу для розробки методів визначення параметрів імпульсного струменя. Вирішення поставленої науково-технічної задачі здійснюється вперше.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертація виконувалася відповідно аспірантському плану і є складовою частиною госпдоговірної науково-дослідної роботи кафедри “Гірнича механіка” Донецького національного технічного університету № 02-70 “Завершити розробку і впровадити гідроімпульсну виїмочну і розробити бурильну установки для безлюдного видобутку вугілля на пластах крутого падіння”, державна реєстрація № U007241.

Автор дисертації при виконанні даної госпдоговірної роботи займав посаду молодшого наукового співробітника і розробляв креслення машини бурової гідроімпульсної (МБГІ-1), обґрунтовував необхідні параметри на виході генератора імпульсного струменя, що є складовою частиною МБГІ-1, такі як: тиск імпульсного струменя, частота імпульсів і крок руйнування вугілля.

Метою досліджень є забезпечення високопродуктивної роботи імпульсної установки для проведення нарізних робіт за підняттям пласта (знизу нагору) на крутих і крутопохилих пластах з використанням установлених закономірностей руйнування вугільних пластів імпульсним струменем.

Задачами досліджень є:

1. Розробка фізичної і математичної моделі робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин;

2. Розробка експериментально-аналітичного методу, що дозволяє визначати параметри імпульсного струменя машини при проведенні свердловин на крутих і крутопохилих пластах з метою забезпечення високопродуктивної роботи свердловинної установки;

3. Визначення раціональних параметрів імпульсного струменя установки для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах.

Об'єкт дослідження – процес проведення свердловини імпульсним струменем знизу нагору на крутих і крутопохилих пластах.

Предмет дослідження – обґрунтування параметрів імпульсного струменя при проведенні свердловин на крутих і крутопохилих пластах.

Метод дослідження, що використовується в роботі, характеризується як експериментально-аналітичний.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Тиск імпульсного струменя обумовлюється міцністними параметрами пласта, що руйнується – зі збільшенням опірності вугілля різанню тиск імпульсного струменя зростає по залежності, близької до лінійної, при зміні опірності пласта різанню від 50 до 150 кН/м. Вперше встановлено, що тиск, необхідний для руйнування пласта, є нестаціонарною випадковою функцією, випадковий характер якої обумовлений випадковим характером опору вугілля різанню і довжини відколу масиву;

2. Втрати енергії імпульсного струменя при проходженні його через шар зруйнованого вугілля змінюються:

-

-

Вперше отримані втрати енергії імпульсного струменя при проходженні його через шар зруйнованого вугілля і дані їх аналітичні описи;

3. Руйнування масиву вугілля імпульсним струменем відбувається відколами. Число відколів при дії одного імпульсу струменя залежить від глибини воронки і змінюється від 8 до 15. Вперше отримані параметри відколів при руйнуванні масиву вугілля імпульсним струменем.

4. Вперше отримано, що середня довжина відколу при числі імпульсів по окремій воронці понад трьох зменшується більш, ніж у два рази. .

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в розробці на основі математичної моделі взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин на крутих і крутопохилих пластах методу розрахунку і вибору раціональних параметрів імпульсного струменя машини для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах, що забезпечують підвищення продуктивності проведення свердловин, зниження питомих енерговитрат, у порівнянні з існуючою технологією, і підвищення безпеки праці.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці технічного завдання на машину бурову гідроімпульсну (МБГІ-1) і при розробці робочих креслень МБГІ-1 на кафедрі “Гірнича механіка” Донецького національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача

Усі науково-практичні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто. Постановка задачі й обговорення результатів проведені з науковим керівником.

Апробація результатів роботи

Основні положення дисертаційної роботи обговорені й одержали схвалення на першій міжнародній науково-технічній студентській конференції “Механіка рідини та газу” (м. Донецьк, 2002р.), на двох міжнародних науково-технічних конференціях “Гірнича енергомеханіка й автоматика” (м. Донецьк, 2002р. та 2003р.), а також на розширеному засіданні кафедр “Гірнича механіка” і “Гірничі машини” (м. Донецьк, 2003р.).

Публікації. Основні положення і результати виконаної дисертації опубліковані в 6 наукових роботах, в тому числі: 4 – у провідних наукових фахових виданнях України, 2 – без співавторів та 2 – у збірниках матеріалів конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів з висновками наприкінці кожного розділу, загальних висновків по роботі, списку використаних джерел з 59 найменувань і 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 150 сторінок, включаючи 48 рисунків, 21 таблиці і додатки на сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається мета і задачі досліджень, висвітлюється наукова новизна, теоретична і практична цінність отриманих результатів.

В першому розділі приведена характеристика вугільних пластів крутого падіння Донбасу. Тонкі круті вугільні пласти в нашій країні розробляються в Центральному районі Донбасу. Центральний вугленосний район Донбасу розташований у західній частині Головної антикліналі і займає ділянку довжиною 65 км і шириною до 15 км.

Усього в Центральному районі Донбасу відпрацьовується більше 500 шахтопластів з вугіллям марок Г, Ж, К, ОС, Т, ПА й А, переважають марки вугілля, що коксуються (Ж, К, ОС). Вугілля пластів мають високу порушеність і тріщинуватість, зв'язану з тектонічними процесами формування вугленосного району в антиклінальну складку, густота тріщин коливається від 100 до 2000 тріщин на 1 м поверхні вугільного вибою. У результаті цього коефіцієнт міцності вугілля складає 0,5  ,5 одиниць по шкалі проф. М. М. Протод'яконова, а опірність вугілля різанню від  до  кН/м.

Багато вугільних пластів мають тверді включення і породні прошарки (глинисті й вуглисті сланці). Коефіцієнт міцності породних прошарків в окремих пластах досягає 5 одиниць по шкалі проф. М. М. Протод'яконова, що ускладнює ефективність руйнування вугілля.

Вугільні пласти Центрального району Донбасу мають високу концентрацію метану і небезпечні по раптових викидах вугілля і газу.

На підставі аналізу 60 шахтопластів трьох виробничих об'єднань Центрального району Донбасу встановлено, що:

1.

2.

3.

Для ведення нарізних робіт з вугілля на крутих і крутопохилих пластах застосовується наступне устаткування:

- установки для буріння свердловин з наступним проведенням по них нарізних виробок,

- гідромоніторні агрегати типу КБГ, АГС, ГВД-3.

Буріння свердловин бурозбіїчними машинами з механічними виконавчими органами (ЛБС-2, ЛБС-4, БШ-2М, БГА-2М, БГА-4, “Стріла-77”) зв'язано з рядом проблем: значні скривлення свердловин, відхід інструмента в бічні породи, обрив бурового ставу.

Однією з мір підвищення ефективності і надійності процесу буріння пластових свердловин різного технологічного призначення є застосування агрегатів з гідравлічним виконавчим органом (типу КБГ, АГС, ГВД-3). Ці гідромоніторні агрегати мають ряд недоліків. Це необхідність наявності високонапірного трубопроводу великого діаметра, відносно мала концентрація твердої речовини в пульпі. Основний недолік - велика потужність, що підводиться при виїмці вугілля стаціонарним струменем. Продуктивність таких агрегатів при застосуванні стаціонарного струменя недостатня.

У якості агрегату для проведення свердловин буде використовуватися установка на основі генератора імпульсного струменя, створеного в ДонНТУ.

У результаті аналізу робіт в області гідравлічного руйнування вугілля зроблені наступні висновки:

1. Одним з можливих способів для нарізних робіт на крутих і крутопохилих пластах є гідравлічний.

2. Використання імпульсного струменя ефективніше, чим стаціонарного в 2   рази.

В другому розділі приведені результати аналітичних і експериментальних досліджень робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля.

Розробка крутопохилих і крутих пластів Центрального району Донбасу здійснюється, як правило, поверховим способом. Висота поверху при цьому складає 120   м. Для підготовки нового вибою необхідно пробурити свердловину на цю довжину. В імпульсній свердловинній установці, яка розроблюється, буріння свердловини здійснюється імпульсним струменем при тиску води 24   МПа. Характерною рисою технології проведення свердловини імпульсною установкою є те, що між установкою і вибоєм у сталому режимі її роботи утворюється шар зруйнованого вугілля (рис. 1). Висота зруйнованого вугілля змінюється практично від 0 до 1 м. При проходженні шару зруйнованого вугілля частина енергії струменя втрачається. Таким чином, при визначенні параметрів струменя на виході генератора необхідно враховувати ці втрати енергії.

Рис. 1. Схема проведення свердловини імпульсною установкою

Руйнування пласта імпульсним струменем відбувається, по-перше, шляхом стиску масиву вугілля і доведення напруги стиску до граничного, по-друге, руйнування вугілля відбувається шляхом відділення від пласта відокремленостей, які будемо іменувати “відколами”. При цьому найбільш ймовірними параметрами відколу будуть параметри, що обумовлені тріщинуватістю пласта. При цьому утворюється воронка у виді усіченого конуса, глибина якої залежить від енергії удару, міцністних властивостей вугілля, тріщинуватості пласта й інших факторів, а форма поперечного переріза воронки близька до еліпсоїдальної.

Характерною рисою руйнування вугілля при утворенні другої і наступної воронки у пласті при впливі на нього імпульсного струменя є те, що руйнування пласта відбувається при наявності другої оголеної поверхні. Наявність зазначеної оголеної поверхні ослаблює масив вугілля, і руйнування його відбувається при менших витратах енергії. При безупинному переміщенні струменя (повороті вліво-вправо, піднятті-опусканні) утворюється так звана врубова щілина.

При розробці фізичної моделі робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля були прийняті наступні допущення:

1.

2.

3.

4.

При розробці математичної моделі взаємодії імпульсного струменя із пластом вугілля були прийняті наступні припущення:

1. Міцністні властивості вугілля, що руйнується – опірність вугілля різанню – є величиною випадковою з розподілом імовірності за законом Гауса:

, (1)

де _відповідно математичне очікування і середньо квадратичне відхилення опірності вугілля різанню,

kи – коефіцієнт, що враховує вихідний матеріал вугленакопичення; для гумолітових вугіль kи=1, для сапропелітових вугіль kи=1,4…3,5.

2.Руйнування вугілля здійснюється відколами з розподілом ймовірностей їх довжини, які не суперечать закону Вейбула:

, (2)

де a, b, c _параметри розподілу, що враховують відповідно масштаб, форму і зсув кривої розподілу;

lск _ довжина відколу.

3. Зусилля, яке необхідне для руйнування вугілля, є лінійною функцією опірності вугілля різанню і довжини відколу.

4. Опірність вугілля різанню і довжина відколу вугілля є незалежними випадковими величинами.

Зусилля, необхідне для руйнування пласта імпульсним струменем, запишемо у вигляді:

(3)

де kос – коефіцієнт, що враховує ослаблення вугільного пласта тріщинами.

Тоді параметри необхідної для руйнування пласта сили будуть мати вигляд:

- математичне очікування:

- дисперсія:

де – математичне очікування довжини відколу.

При цьому, як показали дослідження, параметри еліпса в першому наближенні можуть бути прийняті:

-

-

де dн – діаметр насадка.

Тоді тиск струменя, необхідний для руйнування масиву вугілля, представимо у вигляді:

(6)

де Sэ – площа еліпса:

(7)

де kэ1 – коефіцієнт, що враховує зміну площі контакту струменя з масивом при проходженні через пласт зруйнованого вугілля, kэ1=1,35.

kэ2 – коефіцієнт, що враховує форму еліпса;

З виражень (3), (6) і (7) випливає, що тиск, необхідний для руйнування пласта, є випадковою двопараметричною величиною, обумовленою опірністю вугілля руйнуванню з розподілом імовірності за законом Гауса і довжиною відколу з розподілом імовірності за законом Вейбула. Для характеристики тиску, необхідного для руйнування пласта, достатньо використовувати в залежності (3) тільки перше вираження, що визначає зусилля, необхідне для руйнування пласта. На підставі цього можемо записати:

(8)

де ? – постійний коефіцієнт; (9)

Математичне очікування тиску, необхідного для руйнування масиву вугілля:

Дисперсія тиску, необхідного для руйнування масиву вугілля:

У першому наближенні з ймовірністю 0,96 можна приймати, що максимальний тиск, необхідний для руйнування масиву:

(12)

Імпульсний струмінь при русі від насадка до вибою свердловини втрачає частину своєї енергії. При цьому можливі два характерні опори, які обумовлюють втрати енергії. До першого виду опору руху струменя відноситься опір, обумовлений проходженням струменя через повітряний простір. У цьому випадку, при взаємодії струменя з повітрям відбувається поступова аерація струменя, відділення від нього окремих крапель і бризок і поступове розпадання струменя на окремі частки.

До другого виду опору руху струменя відноситься опір, обумовлений проходженням струменя через шар зруйнованого вугілля, що знаходиться в розпушеному стані. Цей шар неминуче утворюється між насадками генератора і вибоєм при проведенні свердловин. Відстань між насадками і вибоєм не є постійною і змінюється, як було зазначено вище, практично від 0 до 1 м. При проходженні імпульсним струменем через зруйноване вугілля сила удару його значно зменшується. Для визначення втрат енергії проведені спеціальні тензометричні дослідження в яких фіксувалися тиск на виході генератора імпульсного струменя і сила удару струменя об перешкоду при проходженні його через шар зруйнованого вугілля різної товщини від 0 до 0,9 м. Отримані таким чином дані оброблялися методом математичної статистики (методом найменших квадратів) і приведені на рис. 2. Зміна (зменшення) сили удару струменя є функцією відстані і діаметра насадка: зі збільшенням відстані від насадка до перешкоди зменшення сили удару струменя відбувається практично по лінійному закону при товщині шару вугілля від 0 до 0,6 м, для всіх досліджуваних діаметрів насадків (8, 10 і 12 мм); при товщині шару вугілля понад 0,6 м зменшення сили удару струменя є нелінійною функцією:

(13)

де Fоу, nл, mу, nу і kу – постійні коефіцієнти.

Для порівняльної оцінки були проведені аналогічні експерименти по визначенню сили удару струменя при проходженні його по повітрю. З приведених залежностей випливає: зменшення сили удару струменя відбувається практично по лінійному закону при відстані між насадком і перешкодою до 3 м для всіх досліджуваних діаметрів насадків (8, 10 і 12 мм):

(14)

де Fов, nв – постійні коефіцієнти.

Перейдемо від сили удару імпульсного струменя до втрат тиску струменя. Втрати тиску будемо визначати у місці контакту струменя з вибоєм свердловини при проходженні струменем через шар зруйнованого вугілля товщиною від 0 до 0,9 м. На підставі виражень (7) - (9) були отримані дані, що оброблялися методом найменших квадратів і приведені на рис. 3.

З приведених даних випливає: втрати тиску струменя змінюються по нелінійному закону (квадратичної параболи):

(15)

де nп, mп – постійні коефіцієнти.

При товщині шару зруйнованого вугілля починаючи з 0,5 м спостерігається різке збільшення втрат тиску струменя.

? - діаметр насадка 8 мм, ^ - діаметр насадка 10 мм, ¦ - діаметр насадка 12 мм.

Рис. 2. Залежності сили удару Рис. 3. Залежності втрат тиску

імпульсного струменя від імпульсного струменя від

товщини вугільного шару товщини вугільного шару

Вивчення процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується, здійснювалося на вугільному блоці, у якому цільний масив вугілля марки К, з опірністю вугілля різанню 75 кН/м, був стиснутий уздовж вертикальної і горизонтальної осей.

Вивчення процесу воронкоутворення здійснювалося при перпендикулярному впливі імпульсного струменя (?=90?), у межах початкової ділянки (l=300 мм  dн) на вирівняну поверхню вугільного блоку з розмірами 30x30x40 см. При проведенні експерименту фіксувалися параметри утворених імпульсним струменем воронок: зовнішній D і внутрішній d діаметри, її глибина h, у залежності від числа імпульсів струменя N, – при параметрах імпульсного струменя: тиску на вході Рвх і виході Ри генератора імпульсів, напруження стиску вугілля уздовж вертикальної вісі , частоти ? і тривалості імпульсів фі. Були проведені експерименти для різного числа імпульсів по окремій воронці. Отримані залежності h=f(N) і D=f(h) показані на рис.  і . Число імпульсів змінювалося від 1 до 11, частота проходження імпульсів склала 3,0 - 3,6 Гц.

На підставі отриманих експериментальних даних (рис. 4, 5) видно, що пропорційне збільшення глибини воронки відбувається до трьох ударів імпульсного струменя, а подальша інтенсивність поглиблення воронки з ростом N постійно знижується до повного припинення процесу руйнування.

Рис. 4. Залежність глибини воронки h Рис. 5. Графік співвідношення глибини h

від кількості імпульсів N і діаметра D воронки

На рис. , а показана схема процесу руйнування масиву вугілля одним імпульсом струменя. Імпульс струменя умовно розділений на п'ять частин (А, B, C, D, E). При ударі імпульсного струменя об вугільний блок відбувається стиск вугілля під дією ділянки АБ імпульсного струменя (рис. 6, б) і після досягнення напруги стиску вугіллі граничного значення відбувається відкол окремих часток (рис. , б). Вугілля, що утворилося, дробиться і вимивається з елементарної воронки 1 ділянкою БВ імпульсного струменя (рис. , а, б). При подальшому русі імпульсного струменя, з масивом вугілля взаємодіє частина B (рис. , б), при цьому відбуваються аналогічні процеси, описані вище для частини А, і утворюється елементарна воронка 2 (рис. , а). Далі процес повторюється аналогічно до закінчення дії імпульсу струменя, при цьому утворюються елементарні воронки 3, 4 і 5. Дана схема руйнування вугільного масиву імпульсним струменем справедлива для імпульсу тривалістю 10 - 15 мс.

Реально відбувається утворення 8 - 15 елементарних воронок при дії одного імпульсу. При збільшенні числа ударів по окремій воронці понад трьох зменшується довжина відколу масиву вугілля до  - 2 мм і зростає число відколів, при цьому ефективне руйнування закінчується.

Рис. 6.  Схема процесу руйнування масиву вугілля одним імпульсом

На рис. 7, 8 приведені осцилограми процесу руйнування масиву вугілля для різних імпульсів (першого і шостого) по одній і тій же воронці.

Рис. 7. Осцилограма процесу руйнування масиву вугілля імпульсним струменем (перший імпульс)

Рис. 8. Осцилограма процесу руйнування масиву вугілля імпульсним струменем (шостий імпульс)

При числі імпульсів по окремій воронці понад трьох спостерігається наступне явище: перші 4  сколов крупніше приблизно в два рази, ніж наступні.

В третьому розділі приведені методики розрахунку раціональних параметрів імпульсного струменя машини для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах і визначені раціональні значення цих параметрів.

1. Визначення необхідного тиску на виході генератора. Необхідний тиск на виході генератора імпульсного струменя являє собою суму тиску, необхідного для руйнування пласта, і втрат тиску, обумовлених проходженням струменя через шар зруйнованого вугілля:

(16)

З приведеного вираження випливає, що необхідний тиск на виході генератора являє собою суму двох складових. Перша з яких – випадкова величина з розподілом імовірності, яка не суперечить закону Гауса і Вейбула. Друга – практично детермінована функція. Тоді необхідний тиск на виході генератора є нестаціонарною випадковою функцією. Нестаціонарність цієї функції обумовлена зміною її другого складника – втрат тиску, як функції відстані між насадкою і вибоєм. Нестаціонарність необхідного тиску на виході генератора, як випадкової функції, обумовлена зміною її математичного очікування. Такі функції прийнято називати стаціонарними “у широкому змісті слова”.

Вираження (16) являє собою необхідний для руйнування тиск, що представляє собою двопараметричну випадкову функцію.

Перевірка адекватності проводилася по математичному очікуванню. Результати

приведені на рис. 9. Погрішність для конкретних умов проведення експерименту не перевищує 10 %.

? - діаметр насадка 8 мм, ^ - діаметр насадка 10 мм, ¦ - діаметр насадка 12 мм.

Рис. 9. Залежність необхідного тиску на виході генератора від товщини шару зруйнованого вугілля

2. Визначення раціональної частоти проходження імпульсів.

Визначимо раціональну частоту проходження імпульсів з умови максимальної продуктивності проведення свердловин гідроімпульсною установкою.

Частоту проходження імпульсів (рис. 10) визначимо по залежності:

(17)

де nвідк – число відколів;

tн.н – тривалість наростання напруги в вугіллі до граничного значення;

tвідк – тривалість відколу;

tвим – тривалість видалення зруйнованого струменем вугілля;

tп – тривалість паузи.

З вираження (17) випливає, що частота проходження імпульсів залежить від числа відколів, тривалості наростання напруги у вугіллі до граничного значення (вона залежить, у свою чергу, від твердості масиву вугілля), тривалості відколу, тривалості вимиву (видалення зруйнованого вугілля) і тривалості паузи між імпульсами. Раціональна частота проходження імпульсів, розрахована згідно з експериментальними даними, складає ?   Гц.

Час паузи необхідний тільки для того, щоб відновити задані параметри імпульсу струменя. Цей час обумовлений конструкцією генератора імпульсного струменя і він повинен бути мінімальним. Зменшуючи тривалість паузи за рахунок удосконалювання конструкції генератора імпульсного струменя, можна домогтися збільшення продуктивності свердловинної установки.

Рис. 10. Схема зміни напруги у масиві вугілля при впливі на нього імпульсного струменя

3. Визначення раціонального кроку руйнування вугілля при проведенні свердловин. Під раціональним кроком руйнування вугілля розуміється такий крок, при якому утворюється щілина без перемичок.

На підставі отриманого експериментального матеріалу (рис. 4, 5) видно, що:

-

-

-

Для використаних імпульсних струменів з параметрами: Рі =24-26 МПа; і =12-15 мс; dн =8-12 мм; ? = 3-5 Гц, раціональний крок руйнування вугілля при проведенні свердловин буде складати:

При такому кроці руйнування гарантується, що між окремими воронками не буде перемичок з незруйнованого вугілля і глибина щілини буде перевищувати глибину окремої воронки в 1,4  ,6 рази.

В четвертому розділі приведений опис умов і засобів експериментального дослідження робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин, обґрунтована показність умов проведення експерименту і вірогідність експериментального матеріалу, приведені методики планування експерименту й обробки експериментального матеріалу.

Експериментальні дослідження робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля при проведенні свердловин були проведені в лабораторних умовах на спеціально розробленому стенді. Експеримент складався з двох основних частин: визначення втрат енергії при проходженні імпульсного струменя через шар зруйнованого вугілля і по повітрю та визначення параметрів руйнування масиву вугілля імпульсним струменем.

При визначенні втрат енергії імпульсного струменя використовувалося найбільш характерне для Центрального району Донбасу вугілля марки К. Конструкція стенда дозволяла змінювати відстань між насадкою і датчиком та товщину шару зруйнованого вугілля. Вимір сили удару струменя об перешкоду здійснювався спеціально розробленим і сконструйованим тензодатчиком високої жорсткості.

Стенд для дослідження робочого процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується, був створений на основі генератора імпульсного струменя. Як матеріал, що руйнується, застосовувався спеціально розроблений вугільний блок, у якому цільний масив вугілля був стиснутий уздовж вертикальної і горизонтальної осей. Даний вугільний блок був розроблений з метою наблизити властивості отриманого блоку до властивостей реального вугільного пласта. У процесі дослідів фіксувалися миттєві значення сили удару імпульсного струменя об перешкоду, тиск на вході і на виході генератора імпульсного струменя, напруга стиску уздовж вертикальної вісі. Для виміру напруги стиску вугілля у блоці були розроблені і виготовлені спеціальні тензодатчики.

Вимір тисків виконувався індуктивними датчиками тиску ДДІ-20. Для фіксування вимірюваних величин була складена вимірювальна схема, що включала тензометричний підсилювач 8АНЧ-7М (для підсилення сигналів з тензодатчиків), індуктивний двоканальний індикатор ІД-2І (для перетворення індуктивного сигналу з датчиків тиску у відповідну зміну електричного струму) і світопроменевий осцилограф Н-117/1 (для запису вимірюваних величин на світлочутливий папір).

Вірогідність одержуваних експериментальних даних забезпечувалася проведенням експериментальних досліджень з використанням сучасної вимірювальної та реєструючої апаратури і дотриманням вимог до її застосування. Отримані експериментальні дані оброблялися відповідно до загальноприйнятих статистичних методів. Перевірка статистичних гіпотез здійснювалася з довірчою ймовірністю 95%.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане вирішення актуальної науково-технічної задачі, яка полягає в обґрунтуванні параметрів імпульсного струменя машини для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах, які забезпечують підвищення продуктивності машини на 30   у порівнянні з застосовуваними в даний час бурозбіїчними машинами типу ЛБС, БШ-2М та БГА, і забезпечують проведення практично прямолінійних свердловин .

Основні висновки, наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Розроблено математичну модель взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується, яка представляє собою багатомірний випадковий процес, випадковий характер якого обумовлений:

-

-

2. Теоретично отримано й експериментально підтверджено, що раціональними параметрами імпульсного струменя машини для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах є:

-

-

-

3. Втрати тиску імпульсного струменя при проходженні струменя через шар зруйнованого вугілля змінюються:

-

-

4. При проходженні струменя через шар зруйнованого вугілля товщиною до  м швидкість імпульсного струменя зменшується за законом близьким до лінійного і складає 70  від швидкості струменя на виході генератора імпульсів для насадок діаметром 8   мм.

5. Руйнування вугілля при взаємодії імпульсного струменя із пластом відбувається відколами, імовірність розподілу яких не суперечить закону Вейбула (критерій згоди Пірсона 0,9).

6. Результати дисертаційної роботи використані у машині буровій гідроімпульсній типу МБГІ-1.

7. Очікуваний економічний ефект від застосування машини бурової гідроімпульсної замість існуючої техніки для буріння свердловин складає близько 200 тис. грн. на одну машину в рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойко Н. Г., Геммерлинг О. А. Обоснование параметров гидроимпульсной струи генератора установки для проведения скважин // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 42. Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ. - 2002. - С. 54-57.

2. Бойко Н. Г., Геммерлинг О. А. Потери энергии гидроимпульсной струи и ее КПД // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 51. Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ. - 2002. - С. 37-41.

3. Бойко  Н. Г., Геммерлинг  О. А. Стенд для исследования процесса взаимодействия гидроимпульсной струи с разрушаемым массивом угля // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. - 2002. - № 3. - С. 70-71.

4. Геммерлинг  О. А. Исследование процесса разрушения угля гидроимпульсной струей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 63. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. 2003. - С. 72-77.

5. Геммерлинг  О. А. Обоснование параметров гидроимпульсной струи жидкости с учетом потерь энергии // Материалы первой международной научно-технической студенческой конференции “Механика жидкости и газа”. Донецьк: ДонНТУ. 2002. - С. 9-10.

6. Бойко Н. Г., Геммерлинг О. А. Исследование процесса взаимодействия импульсной струи жидкости с разрушаемым массивом угля // Труды международной научно-технической конференции “Горная энергомеханика и автоматика”. Донецк: ДонНТУ. 2003. - Т. . - С. 32-37.

У публікаціях, написаних у співавторстві, автору належить: [1] – виконане обґрунтування параметрів гідроімпульсного струменя генератора установки для проведення свердловин; [2] – експериментально досліджені втрати енергії гідроімпульсного струменя і визначений його ККД; [3] – розроблено та виготовлено експериментальний стенд для дослідження процесу взаємодії гідроімпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується; [6] – експериментально досліджений процес руйнування вугільного блока імпульсним струменем і визначені параметри руйнування масиву вугілля.

АНОТАЦІЯ

Геммерлінг О. А. Обґрунтування раціональних параметрів імпульсного струменя машини для проведення свердловин на крутих і крутопохилих пластах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06  “Гірничі машини”. – Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів установки для проведення свердловин на крутих пластах. Проведення свердловини буде здійснюватися імпульсним струменем. Буріння таких свердловин довжиною 120   м необхідно для підготовки нового очисного вибою на крутих і крутопохилих пластах, розташованих у Центральному районі Донбасу. Даний район є основним постачальником вугілля коксівних марок для підприємств України. Механізація підготовчих і очисних робіт на шахтах, що розробляють дуже тонкі і тонкі круті вугільні пласти, є актуальною і має велике значення для економіки України.

Установлено, що тиск, необхідний для руйнування пласта, є нестаціонарною випадковою функцією, випадковий характер якої обумовлений випадковим характером руйнування вугілля і випадковим характером довжини відколу вугілля. Визначена раціональна частота імпульсного струменя та крок руйнування вугілля.

Основні результати роботи використовувалися у машині буровій гідроімпульсній (МБГІ-1).

Ключові слова: імпульсний струмінь, свердловина, крутий пласт, руйнування, втрати енергії, тиск струменя.

ANNOTATION

Gemmerling O. A. Substantiation of parameters of an impulse jet of the machine for realization of chinks on abrupt layers. The manuscript.

The dissertation for a candidate’s degree in technical sciences by speciality 05.05.06 machines. – Donetsk national technical university, Donetsk, 2003.

The dissertation is devoted to substantiation of parameters of the unit for realization of chinks on abrupt layers. The realization of a chink will carry out with an impulse jet. The drilling of such chinks with the length of 120  is necessary for preparation a new clearing face on abrupt layers located in the Central area of Donbass. This area is the basic supplier coke marks of the coal for the enterprises of Ukraine. The mechanization of preparatory and clearing works on mines developing rather thin and thin abrupt coal layers is urgent and has the large importance for economy of Ukraine.

It established that the pressure necessary for destruction of a layer is non-stationary stochastic function, which casual character is caused by casual character of destruction coal and casual character of length destruction coal. The rational frequency of an impulse jet and step of destruction coal is certain.

The basic results of work were used in the machine chisel hydroimpulse (МBGI-1).

Key words: an impulse jet, chink, abrupt layer, destruction, losses of energy, pressure of jet.

АННОТАЦИЯ

Геммерлинг О. А. Обоснование рациональных параметров импульсной струи машины для проведения скважин на крутых и крутонаклонных пластах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06  “Горные    машины”.  –  Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Диссертация посвящена обоснованию параметров установки для проведения скважин на крутых и крутонаклонных пластах. Проведение скважин будет осуществляться импульсной струей жидкости при давлении 24   МПа. Бурение таких скважин длиной 120   м необходимо для подготовки нового очистного забоя на крутых и крутонаклонных пластах, расположенных в Центральном районе Донбасса. Данный район является основным поставщиком углей коксующихся марок для предприятий Украины. Механизация подготовительных и очистных работ на шахтах, разрабатывающих весьма тонкие и тонкие крутые угольные пласты, является актуальной и имеет большое значение для экономики Украины.

Бурение указанных выше скважин в настоящее время осуществляется с помощью механических буровых машин типа ЛБС, БШ-2М, БГА, “Стрела-77”, что сопровождается рядом проблем: искривление скважины, обрушение стенок скважины, выбросы угля и газа и др. Основным из перечисленных недостатков при бурении является искривление скважины (только около 30из всего числа пробуриваемых скважин считаются условно годными к эксплуатации). Одним из возможных способов ликвидации указанных недостатков механического бурения скважин является проведение скважин с помощью импульсной струи жидкости, которая обладает более высокой разрушающей способностью по сравнению со стационарной струей, используемой в серийно выпускаемых агрегатах для проведения скважин типа КБГ, АГС и ГВД.

В ДонНТУ на протяжении ряда лет проводились теоретические и экспериментальные исследования по разработке специализированного оборудования для создания и формирования импульсных струй, освоению и внедрению его на гидрошахтах и шахтах с традиционной технологией. Шахтными испытаниями подтверждена возможность создания на их основе технологии гидравлической выемки угля и применение ее на шахтах, разрабатывающих крутые и крутонаклонные пласты.

Для успешного применения оборудования, осуществляющего проведение скважин с помощью импульсной струи, необходимо учесть характерные особенности при проведении скважин по восстанию пласта: образование слоя разрушенного угля между забоем скважины и установкой и обусловленные этим потери энергии импульсной струи на преодоление этого слоя.

Для решения поставленной задачи исследования была составлены физическая и математическая модели рабочего процесса взаимодействия импульсной струи с массивом угля при проведении скважин. При этом математическая модель представляет собой нестационарную двухпараметрическую случайную функцию, случайный характер которой обусловлен:

-

-

Экспериментальным путем определены потери энергии импульсной струи при прохождении ее через слой разрушенного угля, которые изменяются:

-

-

Экспериментально исследовано изменение скорости импульсной струи при прохождении ее через слой разрушенного угля толщиной до 1 м. Установлено, что скорость уменьшается по закону близкому к линейному и составляет 70  от скорости струи на выходе из генератора импульсов для насадков диаметром 8   мм.

Впервые установлено, на основании полученных осциллограмм процесса разрушения массива угля, что разрушение угля импульсной струей происходит сколами. На основании полученного экспериментального материала определены, параметры сколов при разрушении угля импульсной струей: средние длина, время и скорость сколов. Установлено, что число сколов при действии одного импульса зависит от глубины воронки и изменяется от 8 до 15. Получено, что средняя длина скола при числе импульсов по отдельной воронке свыше трех уменьшается более, чем в два раза.

Основные результаты работы использовались в машине буровой гидроимпульсной (МБГИ-1).

Ожидаемый экономический эффект от применения машины буровой гидроимпульсной взамен существующей техники для бурения скважин составляет около 200 тыс. грн. на одну машину в год.

Ключевые слова: импульсная струя, скважина, крутой пласт, разрушение, потери энергии, давление струи.