НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРничИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Геммерлінг Олег Альбертович

УДК 622.232. 522.24

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ

ГІДРОІМПУЛЬСНОЇ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ НАРІЗНИХ РОБІТ

НА пластах КРУТОГО ПАДІННЯ

Спеціальність 05.05.06 - гірничі машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ДНІПРОПЕТРОВСЬК - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергомеханічних систем Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Бойко Микола Григорович,

Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідуючий кафедрою енергомеханічних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Антонов Едуард Іванович,

ВАТ “Науково-дослідний інститут гірничої механіки

ім. М. М. Федорова” (м. Донецьк),

завідуючий лабораторією технології

шахтного водовідливу;

кандидат технічних наук,

Кухар Віктор Юрійович,

Національний гірничий університет Міністерства

освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

доцент кафедри гірничих машин та інжинірингу.

Захист дисертації відбудеться 19 грудня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України

(49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19, тел. 47-24-11).

Автореферат розісланий 16 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О. В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Центральний район Донбасу є одним з основних постачальників вугілля коксівних марок, що залягають у тонких крутих пластах. Тому для успішної роботи промислового комплексу Донбасу необхідно розробити ефективні способи відпрацювання цих пластів. Таким чином, повна механізація очисних і підготовчих робіт на шахтах, що розробляють тонкі круті пласти, є однією з першочергових задач. Практика і результати досліджень у нашій країні і за кордоном показують, що для вирішення цих задач доцільний гідравлічний спосіб руйнування вугільних пластів.

Для підготовки нового очисного вибою на крутих пластах потрібно пробурити свердловину довжиною 120-150 м. Застосування механічних бурових машин типу ЛБС, БШ-2М, БГА, “Стріла-77” супроводжується низкою недоліків: скривлення свердловини, обвалення стінок свердловини, поломка бурового ставу, викиди вугілля і газу та ін. Одним із можливих способів ліквідації зазначених недоліків механічного буріння свердловини є проходження свердловини за допомогою імпульсного струменя рідини, що має більш високу руйнівну здатність у порівнянні зі стаціонарним струменем.

Актуальність роботи обумовлена необхідністю модернізації гідроімпульсної установки (ГІУ) для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння з урахуванням факторів, що впливають на процес проходження свердловин. Необхідно встановити вплив шару зруйнованого вугілля, що перебуває між вибоєм свердловини і ГІУ, на процес проходження свердловин, визначити необхідний для руйнування вугільного масиву тиск на виході ГІУ, залежно від товщини шару зруйнованого вугілля, частоту проходження імпульсів, кут повороту насадок ГІУ і крок руйнування вугільного масиву, а також встановити закономірності руйнування вугілля ГІУ. Наявність шару зруйнованого вугілля між насадками ГІУ і вибоєм свердловини обумовлює втрати енергії імпульсного струменя ГІУ для проведення нарізних робіт і є істотним чинником, що не враховувався раніше. Таким чином, встановлення залежностей зміни тиску на виході ГІУ від товщини шару зруйнованого вугілля, частоти проходження імпульсів, кута повороту насадок ГІУ, кроку руйнування вугілля і закономірностей руйнування вугільного масиву ГІУ становить актуальну наукову задачу. Рішення поставленої наукової задачі здійснюється вперше.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наступних науково-дослідних робіт кафедри “Енергомеханічні системи” Донецького національного технічного університету: № Н-2000 “Розробка конструкторської документації на дослідний зразок гідроімпульсної установки для видобутку вугілля в умовах крутих пластів”; № “Розробка і освоєння серійного виробництва гідроімпульсної виїмкової і бурової установок для безлюдного видобутку вугілля при проведенні технологічних робіт і ліквідації аварійних ситуацій на пластах крутого падіння” (№ ДР U003697); № “Завершити розробку і впровадити гідроімпульсну виїмкову і розробити бурильну установки для безлюдного видобутку вугілля на пластах крутого падіння” (№ ДР 0102U007241).

Автор дисертації при виконанні даних держбюджетних і госпдоговірних тем обіймав посади інженера-дослідника і молодшого наукового співробітника і розробляв робочі креслення машини бурової гідроімпульсної (МБГІ-1); обґрунтовував необхідні параметри ГІУ, що є складовою частиною МБГІ-1, такі як: тиск на виході ГІУ, частоту імпульсів, крок руйнування вугілля і кут повороту насадок; виконував патентний пошук на предмет новизни установки для проведення нарізних робіт за допомогою імпульсного струменя і брав участь в авторському нагляді за виготовленням і випробуванням дослідних зразків виїмкової і бурової установок.

Метою роботи є обґрунтування раціональних параметрів гідроімпульсної установки для підвищення ефективності проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння на основі встановлених закономірностей процесу взаємодії гідроімпульсного струменя з вугільним пластом.

Ідея роботи полягає у використанні властивостей гірничих порід, у тому числі й вугілля, руйнуватися від зусиль розтягання і зсуву на порядок менше, ніж від зусиль стиску і урахуванні встановлених закономірностей взаємодії ГІУ з вугільним масивом при проведенні нарізних робіт.

Задачами досліджень є:

1. Визначення сили удару імпульсного струменя установки для проведення нарізних робіт і зміни динамічного тиску імпульсного струменя установки залежно від товщини шару зруйнованого вугілля; тиску ГІУ, необхідного для руйнування, залежно від товщини шару зруйнованого вугілля; закономірностей руйнування вугілля імпульсним струменем; частоти проходження імпульсів, кута повороту насадок ГІУ і кроку руйнування вугілля ГІУ.

2. Встановлення факторів, що впливають на процес проведення нарізних робіт за допомогою ГІУ.

3. Математичне описання процесу взаємодії ГІУ з вугільним пластом при проведенні нарізних робіт.

4. Розробка інженерної методики визначення раціональних параметрів ГІУ, для забезпечення її ефективної роботи.

5. Впровадження результатів роботи та оцінка їх результативності.

Об'єкт дослідження – процес взаємодії гідроімпульсного струменя установки з вугільним пластом, що руйнується, при проведенні нарізних робіт на крутих пластах.

Предмет дослідження – параметри гідроімпульсної установки для проведення нарізних робіт на крутих пластах.

Методи дослідження. При виконанні роботи були використані методи емпіричного і теоретичного досліджень: допущення і моделювання при розробці математичного описання процесу взаємодії ГІУ з вугільним пластом при проведенні нарізних робіт, теорія планування експерименту і експеримент при проведенні експериментальних досліджень, методи математичної статистики, математичного аналізу, статистичні методи для обробки експериментального матеріалу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукові положення:

1. Вперше встановлений характер зміни динамічного тиску ГІУ в процесі проведення нарізних робіт при проходженні струменя через шар зруйнованого вугілля, що змінюється:

-

-

На підставі даних експериментальних досліджень встановлено, що діаметр насадки ГІУ для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння, з урахуванням втрат динамічного тиску гідроімпульсного струменя, повинен складати 10 і 12 мм при опірності вугілля різанню від 50 до 150 кН/м.

2. Вперше, на підставі отриманих експериментальних залежностей руйнування вугілля гідроімпульсним струменем, визначений кут повороту насадок ГІУ для проведення нарізних робіт, що становить:

-

-

При цьому поворот насадок гідроімпульсної установки для ефективного руйнування вугілля необхідно здійснювати щосекунди при частоті імпульсів від 2 до 4.

Наукова новизна:

1. Вперше експериментально отримано, що для ефективного руйнування вугільного масиву ГІУ для проведення нарізних робіт повинна забезпечувати 2  імпульси струменя в одну точку вибою свердловини.

2. Руйнування вугільного пласта при впливі на нього імпульсним струменем рідини відбувається відколами. Отримані параметри відколів при руйнуванні вугільного пласта імпульсним струменем: середня довжина, швидкість відколів залежно від числа імпульсів струменя. Число відколів при дії одного імпульсу струменя залежить від глибини воронки і змінюється від 8 до 15 при зміні глибини воронки від 78 до 340 мм. Вперше встановлено, що математичне очікування довжини відколу при числі імпульсів відносно окремої воронки понад три зменшується більш, ніж у два рази.

3. Визначений необхідний для руйнування тиск ГІУ, залежний від товщини шару зруйнованого вугілля, частота проходження імпульсів, крок руйнування вугільного пласта та кут повороту насадок ГІУ.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей взаємодії ГІУ з масивом вугілля при проведенні нарізних робіт імпульсним струменем із урахуванням втрат енергії імпульсного струменя при проходженні його через шар зруйнованого вугілля.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає у розробці методики розрахунку і виборі раціональних параметрів ГІУ для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння, що забезпечують підвищення продуктивності установки для проведення нарізних робіт, спрямованості (невикривленості) свердловини і зниження питомих енерговитрат, у порівнянні з технологією, що існує, і підвищення безпеки праці.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується результатами аналітичних і спеціальних тензометричних досліджень щодо визначення зміни енергії імпульсного струменя установки при його переміщенні через повітряне середовище і через шар зруйнованого вугілля, і дослідженням процесу руйнування вугілля імпульсним струменем. При розробці математичного описання використовувався сучасний математичний апарат із застосуванням теорії імовірності. Розбіжність між результатами аналітичних і експериментальних досліджень не перевищує 10

Реалізація результатів. Результати дисертаційної роботи використані при розробці технічного завдання “Машина бурова гідроімпульсна МБГІ-1. Технічне завдання” і робочих креслень МБГІ-1, у навчальному процесі у Донецькому національному технічному університеті, на шахтах ДП “Артемвугілля”, ім. А. І. Гайового м. Горлівки Донецької області при експлуатації і модернізації гідроімпульсних установок. Очікуваний економічний ефект від застосування машини бурової гідроімпульсної замість техніки буріння свердловин, що існує, складе близько 220 тис. грн. на одну машину за рік.

Особистий внесок здобувача. Всі науково-практичні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто. Постановка задачі дослідження і обговорення результатів роботи виконано з науковим керівником.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи обговорені і одержали схвалення на Х ювілейній міжнародній науково-практичній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Краматорськ, 2005р.), на ХI міжнародній науково-практичній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2006р.), на VII міжнародній молодіжній науковій конференції “Севергеоэкотех-2006” (м. Ухта, Росія, 2006р.), на VIII міжнародній молодіжній науковій конференції “Севергеоэкотех-2007” (м. Ухта, Росія, 2007р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Гірниче обладнання – ” (м. Донецьк, 2005р.), на VI Міжнародній науково-технічній конференції „Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих” (м. Донецьк, 2006р.), на п'яти міжнародних науково-технічних конференціях “Гірнича енергомеханіка і автоматика” (м. Донецьк, 2002р., 2003р., 2004р., 2005р. і 2006р.), на двох міжнародних науково-технічних конференціях “Механіка рідини та газу” (м. Донецьк, 2002р. і 2004р.), на розширеному засіданні кафедри “Енергомеханічні системи” Донецького національного технічного університету (м. Донецьк, 2007р.) і на засіданні об'єднаного наукового семінару Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2007р.).

Публікації. Основні положення і результати виконаної дисертації опубліковані в 14 наукових працях, у тому числі: 9 - у фахових наукових виданнях (з них одна без співавторів) і 5 - у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 119 найменувань і 8 додатків. Дисертація викладена на 147 сторінках, включаючи 44 рисунка і 23 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі обґрунтована актуальність досліджень. Виконаний аналіз засобів механізації нарізних робіт на пластах крутого падіння. Розглянуті установки для створення безперервних (стаціонарних), пульсуючих і імпульсних струменів. У цих напрямках виконані дослідження Ю.А. Гольдіна, Г.А. Атанова, Г.М. Тимошенка, В.Г. Гейєра, Є.С. Лук’янченка, В.Г. Адамова, В.С. Коломійця, Е.І. Антонова, В.Ю. Кухара, В.Г. Махова, М.С. Сургая, В.О. Бреннера, Д. Миселіна та інших вчених.

Буріння свердловин довжиною 120-150 м бурозбіїчними машинами з механічними виконавчими органами (типу ЛБС-2, ЛБС-4, БШ-2М, БГА-2М, БГА-4, “Стріла-77”) пов'язане з низкою недоліків: значні скривлення свердловин, відхилення інструмента в бокові породи, обрив бурового ставу.

Однією з мір підвищення ефективності і надійності процесу буріння пластових свердловин різного технологічного призначення є застосування агрегатів із гідравлічним виконавчим органом (типу КБГ, АГС, ГВД-3) на основі стаціонарного струменя. Гідромоніторні агрегати мають низку недоліків: необхідність наявності високонапірного трубопроводу, мала концентрація твердої речовини в пульпі, велика підводима потужність при виїмці вугілля стаціонарним струменем і недостатня продуктивність. У напрямку дослідження стаціонарних струменів виконані роботи М.Ф. Цяпка, С.С. Шавловського, Г.П. Никонова, І.А. Кузмича, В.С. Фролова, В.І. Геронт’єва, В.М. Ляхтера, Г. Хове та інших вчених.

У роботах В.В. Дзугаєва, П.Ф. Зими, Г.Г. Голдинського, В.А. Бугрика доведено, що використання імпульсного струменя ефективніше в 2-3 рази у порівнянні зі стаціонарним. Ці роботи не враховували наявність шару зруйнованого вугілля перед ГІУ. Таким чином, встановлення впливу шару зруйнованого вугілля, що перебуває між вибоєм свердловини і ГІУ, на процес проходження свердловин і на параметри ГІУ є актуальною науковою задачею.

У результаті аналізу робіт в області гідравлічного руйнування вугілля та проходження свердловин за допомогою імпульсного струменя зроблені наступні висновки: одним із можливих способів для проведення нарізних робіт на крутих пластах є гідравлічний за допомогою імпульсного струменя; були сформульовані мета і задачі дослідження.

У другому розділі наведені результати аналітичних досліджень робочого процесу взаємодії ГІУ з вугільним пластом.

Розробка крутих пластів Центрального району Донбасу здійснюється, як правило, поверховим способом. Висота поверху при цьому складає 120-150 м. Для підготовки нового вибою необхідно пробурити свердловину на цю довжину. У ГІУ буріння свердловини здійснюється імпульсним струменем рідини.

Характерною рисою технології проведення свердловини ГІУ є те, що між установкою і вибоєм у сталому режимі її роботи утворюється шар зруйнованого вугілля (рис. 1). Висота шару зруйнованого вугілля змінюється практично від 0 до 1 м. При проходженні шару зруйнованого вугілля частина енергії імпульсного струменя втрачається.

Руйнування пласта імпульсним струменем відбувається: по-перше, шляхом утворення у масиві вугільного пласта напруг і доведення їх до граничних величин, по-друге, руйнування вугілля відбувається шляхом відділення від пласта відокремленостей, які будемо іменувати “відколами”. При цьому утворюється воронка у вигляді усіченого конуса, глибина якої залежить від енергії удару, міцнісних властивостей вугілля, тріщинуватості пласта і інших факторів, а форма поперечного переріза воронки близька до еліпсоїдальної.

Рис. 1. Схема проходження свердловини

імпульсною установкою

При розробці математичного описання процесу взаємодії ГІУ з вугільним пластом приймемо наступні допущення:

1. Міцнісні властивості вугілля, що руйнується, – опірність вугілля різанню – є величиною випадковою з розподілом імовірності, що не суперечить закону Гауса (згідно даних досліджень інших вчених).

2. Руйнування вугілля здійснюється відколами з розподілом імовірності їхньої довжини, що не суперечить закону Вейбула (згідно даних досліджень інших вчених).

3. Зусилля, 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:

(1)

де kос – коефіцієнт, що враховує ослаблення вугільного пласта тріщинами; kст – коефіцієнт, що враховує умови руйнування вугілля імпульсним струменем; Ари – математичне очікування опірності вугілля різанню; lск – довжина відколу.

Прийнявши, що , отримаємо вираз закону розподілу зусилля, необхідного для руйнування масиву вугілля імпульсним струменем ГІУ

(2)

Тиск струменя ГІУ, необхідний для руйнування вугільного пласта, представимо у вигляді

(3)

де Sк – площа контакту імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується.

У першому наближенні будемо вважати, що цією площею є коло

(4)

де kє1 – коефіцієнт, що враховує зміну площі контакту струменя з масивом при проходженні через шар зруйнованого вугілля (див. таблицю ), dн – діаметр насадки.

Таблиця 1

Значення коефіцієнта kє1 залежно від товщини шару зруйнованого вугілля

Товщина шару зруйнованого вугілля L, м | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0

Значення коефіцієнта kє1 | 1 | 1,04 | 1,10 | 1,15 | 1,22 | 1,30 | 1,4

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, досить використовувати в залежності (1) тільки перший вираз, що визначає зусилля, необхідне для руйнування пласта

(5)

Позначимо постійні величини у виразі (5) через Тоді

Прийнявши, що , одержимо вираз закону розподілу тиску, необхідного для руйнування вугільного пласта ГІУ 

(6)

Максимальний тиск, необхідний для руйнування вугільного пласта, становить

(7)

Необхідна величина тиску на виході ГІУ являє собою суму тиску , необхідного для руйнування пласта, і змін динамічного тиску , обумовлених проходженням струменя через шар зруйнованого вугілля

(8)

У третьому розділі експериментальним шляхом визначені зміни динамічного тиску імпульсного струменя при проходженні через шар зруйнованого вугілля (рис. ) і при переміщенні через повітряне середовище і досліджений процес взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується (рис. 3). Описання засобів експериментального дослідження наведено у п’ятому розділі.

Рис. 2. Стенд для визначення зміни Рис. 3. Стенд для дослідження процесу

динамічного тиску взаємодії ГІУ з масивом вугілля

Імпульсний струмінь при переміщенні від насадки до вибою свердловини втрачає частину своєї енергії. При цьому можливі два характерні опори, що спричиняють втрату енергії. До першого виду опору руху струменя належить опір, обумовлений проходженням струменя через повітряний простір. До другого виду опору руху струменя належить опір, обумовлений проходженням струменя через шар зруйнованого вугілля, що перебуває в розпушеному стані. Цей шар неминуче утворюється між насадками генератора і вибоєм при проведенні нарізних робіт. Відстань між насадками і вибоєм не є постійною і змінюється, як було зазначено вище, практично від 0 до 1 м. Для визначення зміни енергії струменя були проведені спеціальні тензометричні дослідження, в яких фіксувався тиск на виході генератора імпульсного струменя і сила удару струменя об перешкоду при проходженні його через шар зруйнованого вугілля різної товщини від 0 до 0,93 м. Отримані дані оброблялися методом математичної статистики (методом найменших квадратів) і наведені на рисунку 4. Зміна (зменшення) сили удару струменя є функцією відстані і діаметра насадки: зі збільшенням відстані від насадки до перешкоди зменшення сили удару струменя відбувається практично за лінійним законом при товщині шару вугілля від 0 до 0,6 м, для всіх досліджуваних діаметрів насадок (8, 10 і 12 мм); при товщині шару вугілля понад 0,6 м зменшення сили удару струменя є нелінійною функцією

(9)

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

Перейдемо від сили удару імпульсного струменя до змін динамічного тиску струменя. Зміни динамічного тиску будемо визначати в точці контакту струменя з вибоєм свердловини при проходженні струменем через шар зруйнованого вугілля товщиною від 0 до 0,93 м. На підставі виразів (3) - (9) отримані дані, що оброблялися методом найменших квадратів і наведені на рисунку 5.

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

Рис. 4. Залежності сили удару Рис. 5. Залежності зміни динамічного

імпульсного струменя від тиску імпульсного струменя

товщини вугільного шару від товщини вугільного шару

З наведених даних випливає: динамічний тиск імпульсного струменя змінюється за нелінійним законом (квадратичної параболи) де nп, mп – постійні коефіцієнти.

При товщині шару зруйнованого вугілля, починаючи з 0,5 м, спостерігається збільшення втрат динамічного тиску струменя. Діаметри насадок ГІУ, що рекомендуються, з урахуванням отриманих експериментальних даних зміни динамічного тиску імпульсного струменя в шарі зруйнованого вугілля, складають 10 і 12 мм. Таким чином, доведено перше наукове положення про характер зміни динамічного тиску і діаметри насадок ГІУ, що рекомендуються.

Вивчення процесу взаємодії імпульсного струменя з масивом вугілля, що руйнується, здійснювалося на вугільному блоці, в якому цілісний масив вугілля марки К, з опірністю вугілля різанню 75-85 кН/м, був стиснутий уздовж вертикальної і горизонтальної вісей.

Адекватність розробленого вугільного блоку реальному пласту вугілля підтверджується наступнім: розміри вугільного зразка приблизно на порядок перевищують розміри окремих воронок; вугільний зразок був залитий з бокових сторін у бетонний розчин і стиснутий уздовж вертикальної і горизонтальної вісей (сила стиснення вугілля уздовж вертикальної осі склала 1,12 кН, уздовж горизонтальної – 1,06 кН); для вугільного зразка використовувалося найбільш характерне для Центрального району Донбасу вугілля марки К; результати експерименту підтверджені практикою: тиск імпульсного струменя був перевірений на ГІУ, що працюють на шахті імені А. І. Гайового м. Горлівки Донецької області.

Вивчення процесу воронкоутворення здійснювалося при перпендикулярному впливі імпульсного струменя, у межах початкової ділянки, на вирівняну поверхню вугільного блоку з розмірами 300x300x400 мм. При проведенні експерименту фіксувалися параметри утворених імпульсним струменем воронок: зовнішній D і внутрішній d діаметри, її глибина h, залежно від числа імпульсів струменя N, – при параметрах імпульсного струменя: тиску на вході і виході генератора імпульсів, частоті х, тривалості імпульсів і. Були проведені експерименти для різної кількості імпульсів щодо окремої воронки. Отримані залежності h=f(N) і D=f(h), наведені на рис. 6 і 7. Кількість імпульсів змінювалась від 1 до 11.

Рис. . Залежність глибини воронки h Рис. 7. Графік зміни діаметра воронки D

від кількості імпульсів N від глибини воронки h

На підставі отриманих експериментальних даних (рис. 6, 7) 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.

У четвертому розділі наведені методики розрахунку параметрів ГІУ для проведення нарізних робіт на крутих пластах і визначені раціональні значення цих параметрів при зміні опірності вугілля різанню від 50 до 150 кН/м.

1. Визначення необхідного тиску на виході ГІУ. Необхідний тиск являє собою суму тиску, необхідного для руйнування пласта, і змін динамічного тиску, обумовлених проходженням струменя через шар зруйнованого вугілля

(10)

Вираз (10) являє собою необхідний для руйнування тиск на виході ГІУ, що представляє собою двопараметричну випадкову функцію. Перевірка адекватності аналітичного виразу для визначення необхідного тиску на виході ГІУ здійснювалася за математичним очікуванням. Результати наведені на рис. . Похибка для конкретних умов проведення експерименту не перевищує 10 %.

? - діаметр насадки 8 мм,

^ - діаметр насадки 10 мм,

¦ - діаметр насадки 12 мм.

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

2. Визначимо раціональну частоту проходження імпульсів ГІУ з умови забезпечення максимальної ефективності проведення нарізних робіт ГІУ.

Частота проходження імпульсів визначається за залежністю

(11)

де nск – число відколів; tн.н – тривалість наростання напруг у вугіллі до граничного значення; tск – тривалість відколу; tвид – тривалість видалення зруйнованого струменем вугілля; tп – тривалість паузи.

З виразу (11) випливає, що частота проходження імпульсів залежить від числа відколів, тривалості наростання напруги у вугіллі до граничного значення (вона залежить, у свою чергу, від жорсткості масиву вугілля), тривалості відколу, тривалості видалення зруйнованого вугілля і тривалості паузи між імпульсами. Раціональна частота, розрахована згідно з експериментальними даними, становить х = 5-20 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. Шляхом зменшення часу паузи за рахунок удосконалення конструкції генератора імпульсного струменя, можна домогтися збільшення продуктивності ГІУ.

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

На підставі отриманого експериментального матеріалу (рис. , ) видно, що кожну окрему воронку варто утворювати не менше, ніж двома імпульсами; середній діаметр отриманої воронки і, виходить, потім утворюваної щілини, становить 60-80 мм; глибина утворюваної щілини при виконанні умови утворення воронки не менше ніж двома імпульсами буде складати 160 мм.

Для використаних імпульсних струменів із параметрами: Ри=15-28 МПа; і=12-15 мс; dн=8-12 мм; х=3-5 Гц, раціональний крок руйнування вугілля при проведенні нарізних робіт буде складати:

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

4. Визначення раціонального кута повороту насадок ГІУ. Ефективне руйнування вугільного масиву відбувається при кількості імпульсів струменя, що дорівнює 2-3, в одну точку вугільного вибою. При даній кількості імпульсів здійснюється пропорційне збільшення глибини воронки, і енергоємність утворення щілини, у порівнянні з енергоємністю утворення окремої воронки одиничним імпульсом, знижується приблизно в 5 разів.

Таким чином, привод обертання ГІУ для проведення нарізних робіт повинен забезпечувати роботу за наступною схемою: 2  імпульси струменя в одну точку вугільного вибою, поворот стволів з насадками ГІУ на фіксований кут, і потім процес повторюється аналогічно.

Кількість поворотів стволів з насадками ГІУ визначається за залежністю

(12)

де lp – крок руйнування вугілля; Doc - діаметр між осями насадок, для даної моделі ГІУ Doc мм.

Кут повороту стволів із насадками ГІУ

За половину оберту, за вказаною вище схемою, буде руйнуватися, згідно даним експерименту, 0,2 м вугільного масиву. Таким чином, для руйнування 1 м вугільного масиву (на довжину бурової штанги) необхідно 2,5 оберти стволів з насадками ГІУ.

За одну секунду, у розробленій конструкції генератора імпульсів, виникає від 2 до 4 імпульсів струменя. Тому для раціонального руйнування вугільного масиву необхідно забезпечити обертання стволів з насадками ГІУ зі ступеневим поворотом на кут 23   для насадок діаметром 10 мм і на кут 28   для насадок діаметром 12 мм щосекунди. Дана схема дозволить забезпечити 2  імпульси щодо кожної точки вугільного масиву при проведенні нарізних робіт. Таким чином, доведене друге наукове положення про кут повороту насадок ГІУ.

У п'ятому розділі наведений опис умов і засобів експериментального дослідження робочого процесу взаємодії ГІУ з масивом вугілля при проведенні нарізних робіт, обґрунтована показність умов проведення експерименту і вірогідність експериментального матеріалу, наведені методики планування експерименту і обробки експериментального матеріалу.

Експериментальні дослідження робочого процесу взаємодії ГІУ з масивом вугілля при проходженні свердловин були проведені в лабораторних умовах на спеціально розробленому стенді. Експеримент складався з двох основних частин: визначення зміни динамічного тиску імпульсного струменя і визначення параметрів руйнування масиву вугілля імпульсним струменем.

При визначенні зміни динамічного тиску імпульсного струменя використовувалося найбільш характерне для Центрального району Донбасу вугілля марки  К. Конструкція стенда дозволяла змінювати відстань між насадкою і датчиком і товщину шару зруйнованого вугілля (рис. ). Вимірювання сили удару струменя об перешкоду здійснювалося 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 (рис. ). За матеріал, що руйнується, застосовувався спеціально розроблений вугільний блок, у якому цільний масив вугілля був стиснений уздовж вертикальної і горизонтальної вісей. 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 вимірювання напруги стиску вугілля у блоці були використані спеціальні тензодатчики.

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

Вірогідність одержаних експериментальних даних забезпечувалася проведенням експериментальних досліджень із використанням сучасної вимірювальної і реєструючої апаратури, і дотриманням вимог до її застосування. Отримані експериментальні дані оброблялися відповідно до загальноприйнятих статистичних методів.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій дано вирішення актуальної наукової задачі, що полягає в обґрунтуванні параметрів ГІУ для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння і у встановленні: залежності сили удару імпульсного струменя ГІУ, що змінюється за нелінійним законом (квадратичної параболи), залежно від товщини шару зруйнованого вугілля; зміни динамічного тиску імпульсного струменя ГІУ, що змінюється за нелінійним законом (квадратичної параболи), залежно від товщини шару зруйнованого вугілля; необхідного для руйнування вугілля тиску на виході ГІУ, що змінюється за нелінійним законом (квадратичної параболи), залежно від товщини шару зруйнованого вугілля; частоти проходження імпульсів ГІУ; кута повороту насадок ГІУ; кроку руйнування вугілля ГІУ; закономірностей руйнування вугільного масиву ГІУ, що дозволило підвищити ефективність ГІУ для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння до 40 %, у порівнянні із бурозбіїчними машинами типу ЛБС, БШ-2М и БГА, що застосовуються в цей час.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Теоретично отримано і експериментально підтверджено, що раціональними параметрами гідроімпульсної установки для проведення нарізних робіт на крутих пластах при опірності вугілля різанню від 50 до 150 кН/м є:

-

-

-

-

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

-

-

3. Діаметри насадок установки, що рекомендуються для проведення наріз-них робіт, з урахуванням отриманих експериментальних даних зміни динамічного тиску імпульсного струменя в шарі зруйнованого вугілля, становлять 10 і 12 мм.

4. Для ефективного руйнування вугільного масиву необхідно забезпечити обертання стволів із насадками гідроімпульсної установки зі ступневим поворотом на кут 23   для насадок діаметром 10 мм і на кут 28   для насадок діаметром 12 мм щосекунди. Дана схема дозволить забезпечити 2  імпульси струменя в кожну точку вугільного вибою при частоті імпульсів від 2 до 4.

5. Розроблено математичне описання процесу взаємодії гідроімпульсної установки з масивом вугілля, що руйнується, яке представляє собою двомірний випадковий процес, випадковий характер якого обумовлений випадковим характером руйнування вугілля з розподілом імовірності, що не суперечить закону Гауса і випадковим характером довжини відколу вугілля з розподілом імовірності, що не суперечить закону Вейбула.

6. Рекомендований максимальний шар зруйнованого вугілля перед насадками бурової гідроімпульсної установки при проведенні нарізних робіт не повинен перевищувати 0,5 м. Товщина шару зруйнованого вугілля може бути змінена шляхом варіювання швидкості подачі бурової установки.

7. При проходженні струменя через шар зруйнованого вугілля товщиною до ,6 м швидкість імпульсного струменя зменшується за законом близьким до лінійного і становить 56   % від швидкості струменя на виході генератора імпульсів для насадок діаметром 8, 10, 12 мм.

8. Для ефективного руйнування вугільного масиву установка для проведення нарізних робіт повинна забезпечувати 2  імпульси струменя в одну точку вибою. Глибина воронки збільшується за законом, близьким до лінійного, при числі імпульсів струменя до трьох. Установку для проведення нарізних робіт необхідно розміщувати на відстані не менше ніж 0,3 м від вибою свердловини.

9. Руйнування масиву вугілля імпульсним струменем відбувається відколами, імовірність розподілу яких не суперечить закону Вейбула (критерій згоди Пірсона 0,9). Отримані параметри відколів при руйнуванні масиву вугілля імпульсним струменем: середня довжина, швидкість відколів залежно від кількості імпульсів струменя. Кількість відколів при дії одного імпульсу струменя залежить від глибини воронки і змінюється від 8 до 15 при зміні глибини воронки від 78 до 340 мм. При кількості імпульсів струменя відносно окремої воронки понад три середня довжина відколу зменшується більш ніж в 2 рази.

10. Результати дисертаційної роботи використані при розробці методики розрахунку параметрів ГІУ, складанні технічного завдання і розробці робочих креслень на машину бурову гідроімпульсну типу МБГІ-1, експлуатації і модерніза-ції ГІУ, що працюють на шахті імені А. І. Гайового м. Горлівки Донецької області, і у навчальному процесі у Донецькому національному технічному університеті.

11. Достовірність висновків і наукових положень дисертаційної роботи підтверджується тим, що при проведенні експериментальних досліджень використовувалась методика планування експерименту, перевірка і таріровка вимірювальної і реєструючої апаратури, при розробці математичного описання використовувався сучасний математичний апарат. Розбіжність між результатами аналітичних і експериментальних досліджень щодо визначення необхідного для руйнування вугілля тиску не перевищує 10 %.

12. Очікуваний економічний ефект від застосування ГІУ замість існуючої техніки буріння свердловин складе близько 220 тис. грн. на одну установку за рік.

Основні положення дисертаційної роботи відображені в таких публікаціях:

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  .

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.  - 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  .

4. Геммерлинг  О. А. Установление закономерностей разрушения угольного массива импульсной струей жидкости //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 83. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. 2004. - С. 64  .

5. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Определение рациональной частоты импульсной струи жидкости при разрушении угольного массива //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 101. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. - 2005. С. 3  .

6. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Математическая модель процесса взаимодействия гидроимпульсной струи с разрушаемым массивом угля при проведении скважин //Вісник Донбаської державної машинобудівної академії №  2005. Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА. - 2005. - С. 143  .

7. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Изменение кинетической энергии гидро-импульсной струи при проведении скважин на крутых и крутонаклонных плас-тахНаукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 104. Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. - 16.

8. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Закон распределения вероятностей усилия для разрушения угля гидроимпульсной струейНаукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 12 (113). Серія: гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. 9 - 16.

9. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Определение скорости гидроимпульсной струи при прохождении ее через слой разрушенного твердого материала при проведении скважин //Технологія і техніка друкарства. Збірник наукових праць. Випуск 4 (14). - Київ: ВПІ НТУУ “КПІ”. - 2006. - С. 88  .

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

11. 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  .

12. Геммерлинг О.А. Определение потерь давления импульсной струей жидкости при прохождении ее через слой разрушенного угля //Научные труды международной научно-технической конференции “Горное оборудование - 2005”. Донецк: ДонНТУ. - 2005. - С. 43- .

13. Геммерлинг О.А. Проведение скважин на крутых и крутонаклонных угольных пластах с помощью импульсной струи жидкости //VII международная молодежная конференция “Севергеоэкотех-2006”: материалы конференции (22-24 марта 2006 г., Ухта): в 3 ч.; ч. 1. - Ухта: УГТУ. - 2006. - С. 315  .

14. Бойко Н.Г., Геммерлинг О.А. Исследование изменения кинетической энергии импульсной струи жидкости при проведении скважин //Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць VI Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 24-27 квітня 2006 р. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. 15 - 17.

У публікаціях, написаних у співавторстві, автору належить: [1] – виконане обґрунтування параметрів гідроімпульсного струменя установки для проведення нарізних робіт; [2, 5, 6, 7, 9, 11] – експериментально досліджено: втрати енергії, частоту, зміну тиску, зміну кінетичної енергії, швидкість гідроімпульсного струменя установки, процес руйнування вугільного блоку імпульсним струменем установки; [3] – розробка стенда для дослідження процесу взаємодії гідро-імпульсного струменя установки з масивом вугілля, що руйнується; [8] – розробка розрахункових формул і визначення зусилля для руйнування вугілля імпульсним струменем установки; [14] - визначення енергії імпульсного струменя установки для проведення свердловин залежно від товщини вугільного шару.

АНОТАЦІЯ

Геммерлінг О. А. Обґрунтування параметрів гідроімпульсної установки для проведення нарізних робіт на пластах крутого падіння. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06  гірничі машини. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів гідроімпульсної установки для проведення нарізних робіт на крутих пластах. Проведення свердловини довжиною 120   м буде здійснюватися імпульсним струменем. У роботі вивчається вплив шару зруйнованого вугілля, що перебуває між вибоєм свердловини і гідроімпульсною установкою, на процес проходження свердловин та закономірності руйнування вугільного масиву гідроімпульсною установкою.

У дисертаційній роботі визначені зміни динамічного тиску імпульсного струменя в залежності від товщини вугільного шару перед генератором імпульсів та розраховані раціональні параметри гідроімпульсної