ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХОМЕНЧУК ОЛЕГ ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 624.132:622.281.4
ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВИБУХОВОГО СПОСОБУ ЗВЕДЕННЯ ТОРКРЕТБЕТОННОГО КРІПЛЕННЯ ПРИ ЗАБЕЗПЕЧЕННІ СТІЙКОСТІ ВИРОБОК
Спеціальність: 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі будівництва шахт і підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
ШЕВЦОВ Микола Романович,
завідувач кафедри будівництва шахт та підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
ПЕТРЕНКО Володимир Дмитрович,
завідувач кафедри тунелів, основ і фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В.Лазаряна Міністерства транспорту та зв’язку;
кандидат технічних наук, доцент
ТЕРЕЩУК Роман Миколайович,
доцент кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).
Провідна установа: Донбаський державний технічний університет, кафедра будівельні геотехнології і гірничі споруди Міністерства освіти і науки України (м.Алчевськ).
Захист дисертації відбудеться “_4__” _липня_ 2007 р. о _12_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).
Автореферат розісланий “ 4 ” червня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Аналіз стану підготовчих виробок шахт України показав, що в понад 1800 км підготовчих гірничих виробках на сьогоднішній день виконуються роботи з ремонту кріплення. Крім того, з 635 діючих на шахтах Донбасу вертикальних стволів 254 також мають порушення кріплення.
В умовах нових ринкових відносин актуальні питання зниження вартості, енергоємності і трудомісткості ремонту кріплення гірничих виробок.
Одним з перспективних способів підтримки і ремонту кріплення гірничих виробок, що дозволяють знизити трудомісткість і матеріалоємність, є посилення кріплення набризкбетоном чи торкретбетоном у місцях прояву підвищеного гірського тиску. Однак низка особливостей технології набризкбетонування перешкоджають широкому застосуванню даного способу. До них відносяться: необхідність спеціального устаткування, джерел енергії; нераціональне застосування при невеликих обсягах робіт (високі транспортні витрати, тривалий підготовчий період) та в камерних виробках великого перетину, залежність якості покриття від досвіду і кваліфікації сопловщика. Так само існує безпека отруєння аерозолем бетонної суміші та прискорювачів схоплення, поразці матеріалом, що відскочив, (особливо при застосуванні сталефібронабризкбетону).
У світлі вище переліченого, вдосконалення методу набризкбетонування при спорудженні та ремонті кріплення гірничих виробок є актуальною науково-технічною задачею.
Зв’язок роботи з планами наукових робіт університету. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми Д-5-02 “Обґрунтування способів та параметрів підвищення адгезійних властивостей та міцності бетонного кріплення, що зводиться при проведенні гірничих виробок” (№ ДР 0102U001156) та кафедральної теми Н-6-2000 “Дослідження та удосконалення технології будівництва й реконструкції навколоствольного двору”.
Мета роботи полягає в обґрунтуванні параметрів технології зведення торкретбетонного кріплення гірничих виробок вибуховим диспергуванням цементно-піщаної суміші з судин, що легко руйнуються, яка дозволить локально використовувати торкретбетон при зведенні чи ремонті кріплення в місцях, де традиційні способи застосовувати нераціонально.
Основна ідея роботи полягає у використанні відомих закономірностей формування суспензії порошку у повітрі при центральному вибуху, встановлених при розробці запобіжних завіс, для обґрунтування параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення.
Об’єктом досліджень є стійкість підземних споруд та виробок, що знаходяться в зоні підвищеного гірського тиску.
Предметом досліджень є параметри вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення.
Основні задачі досліджень:
·
встановлення закономірності розльоту цементно-піщаної суміші з судин, що легко руйнуються, під дією центрального вибуху;
·
визначення умов формування однорідного (без розшарування на окремі фази) багатофазного потоку при зведенні торкретбетонного кріплення;
·
розробка методики визначення параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення в залежності від розмірів і типу гірничих виробок;
·
проведення дослідно-промислових випробовувань вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення, визначення його ефективності й перспектив використання.
Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети за методичну основу прийнятий комплексний підхід, що включає узагальнення результатів взаємодії продуктів детонації із цементно-піщаною суміщу, яка оточує заряд ВР, а також динаміки розльоту речовини з урахуванням сил інерції й аеродинамічного опору та її взаємодії зі стінками гірничої виробки, лабораторні й шахтні дослідження динаміки розльоту цементно-піщаної суміші, промислову апробацію параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення, техніко-економічний аналіз його застосування.
Основні наукові положення, що виносяться на захист:
1.
Дальність розльоту цементно-піщаної суміші під дією центрального вибуху від часу має експоненціальну залежність, показник ступеня якої є відносний час розширення продуктів детонації вибухової речовини, причому максимальна дальність розльоту цементно-піщаної суміші визначається фізико-хімічними властивостями вибухової речовини, що дозволяє визначити швидкісні та просторові параметри розльоту цементно-піщаної суміші.
2.
Однорідність цементно-піщаної суміші, яка необхідна для торкретування, залежить від просторових і швидкісних параметрів її розльоту під дією центрального вибуху і забезпечується при співвідношенні енергетичного критерію вибухової речовини, що розпорошує, та маси суміші, рівному не більш 9,2108 кгс-1/2Дж3/2/кг суміші, причому найбільш оптимальна однорідність потоку цементно-піщаної суміші забезпечується на відстані 2…4 м від центра вибуху.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:
·
вперше запропонований критерій ранжування речовин в різному фізичному стані за здатністю їх диспергування під дією центрального вибуху еталонного заряду, що представляє собою відношення наведених мас до еталонного заряду ВР та експериментально встановлені його чисельні значення: для води - 1,32; цементно-піщаного розчину - 1,67; пресованого порошку – від 1,83 до 3,44 залежно від міцності;
·
вперше отримана аналітична залежність дальності розльоту цементно-піщаного розчину при центральному вибуху від його маси, фізичних характеристик і детонаційних характеристик заряду вибухової речовини; гранична дальність розльоту цементно-піщаної суміші не перевищує 4,0 м;
·
вперше запропонований критерій оцінки однорідності потоку цементно-піщаної суміші при вибуху, який дорівнює відношенню так званого енергетичного критерію заряду вибухової речовини до маси цементно-піщаної суміші; встановлено, що його критичне значення, при якому змінюється якісний стан потоку, дорівнює 9,216108 кгс-1/2Дж3/2 на кожний кілограм суміші.
Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей динаміки розльоту цементно-піщаної суміші при центральному вибуху з урахуванням сил інерції та аеродинамічного опору, що дозволяє обґрунтувати ефективні параметри заряду та цементно-піщаної суміші для забезпечення якісного нанесення однорідного та міцного шару торкретбетонного кріплення.
Практичне значення роботи полягає в:
·
моделюванні процесу розльоту цементно-піщаної суміші;
·
розробці методики встановлення значень коефіцієнту ранжування речовин за здатністю їх диспергуватися під дією центрального вибуху еталонного заряду;
·
розробці методики визначення ефективних параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення, які дозволять раціонально зводити якісний шар торкретбетонного кріплення вибуховим способом;
·
розробці конструкції пристрою та схем його розташування для нанесення на поверхню гірничої виробки торкретбетонної суміші вибуховим способом.
Обґрунтованість і вірогідність положень, висновків і рекомендацій підтверджена коректністю використання фундаментальних положень динаміки розльоту речовин при центральному вибуху, задовільною збіжністю (до 90…95 %) результатів лабораторних та полігонних і аналітичних досліджень, позитивними результатами промислових випробувань параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення.
Використання результатів роботи. Вибуховий спосіб зведення торкретбетонного кріплення пройшов дослідно-промислові випробування при зведенні тимчасового кріплення у вентиляційному вертикальному стволі на шахті “Зоря” ВО “Сніжнеантрацит”, а також при ремонті підривної камери ДонНТУ.
Наукові і практичні результати роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці гірничих інженерів.
Особистий внесок автора полягає в постановці теоретичних завдань, аналізі джерел інформації, розробці фізичних і математичних моделей, проведенні й статистичній обробці даних натурних і лабораторних експериментів, формулюванню висновків і рекомендацій.
Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи обговорювалися й були схвалені на регіональних і міжнародних студентських науково-технічних конференціях “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений” (Донецьк, 2000 р., 2002 р., 2003 р., 2004 р.), IX міжнародної науково-технічної конференції “Машиностроение и техносфера XXI века” (Севастополь, 2002 р.), міжнародної науково-технічної конференції “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 2003 р., 2006 р.), на науково-практичному симпозіумі “Сучасні проблеми шахтного й підземного будівництва” (Алушта, 2005 р.).
Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 13 наукових статтях, з них - 6 у провідних спеціалізованих виданнях, 7 – у збірниках конференцій.
Структура роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 75 найменування на 8 сторінках і 4 додатків на 9 сторінках. Вона містить 105 сторінок машинописного тексту, 42 рисунка і 11 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 144 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі виконаний аналіз стану використання технології торкретбетонування при зведенні та ремонті кріплення підземних гірничих виробок.
З огляду на перспективи розвитку вугільної промисловості України, описаної в програмі “Українське вугілля”, актуальною є задача зниження собівартості вугілля в умовах ринкових відносин. Одним з напрямків рішення поставленої задачі є зниження витрат на підтримку і ремонт гірничих виробок. На сьогоднішній день у загальному обсязі робот, пов'язаних з ремонтом у виробках, що потребують ремонту, роботи з ремонту кріплення досягають у середньому 65ь%.
Відомий принципово новий спосіб підвищення стійкості виробок розроблений О.П. Максимовим, О.М.Шашенком та А.М. Роенком – комбіноване кріплення АНТ (“арка-набризк-тампонаж”). Даний спосіб призначений для підвищення несучої здатності металевого кріплення капітальних виробок з використанням тампонажу позакріпного простору й набризкбетонування металевого кріплення. Але локальне використання цього способу або окремо набризкбетонування для підвищення несучої здатності металевого кріплення є не раціональним, внаслідок дорожнечі устаткування, високих транспортних витрат, тривалого підготовчого періоду.
Добре освітлена технологія набризку в роботах Заславського Ю.З., Стрільцова В.В., Пономаренка Д.І., Казакевича Э.В., Ройзена В.В., Вороніна В.С., Турчаніна В.І., Шатохіна М.А., Петренка В.Д., Петренка Ю.А., Шашенка О.М., Реви С.М., Усаченка Б.М., Литвинського Г.Г., Атманських С.А., ПарчевськоготЛ.Я., Грязнова Б.Т., Голіцинського Д.М., Шавріна В.І., ШилкінабП.І., Компанця В.Ф., Антоневича Ю.І. та ін.
Відомий так само спосіб, при якому цементно-піщана суміш наноситься на поверхню виробки за допомогою енергії вибуху. Сутність даного способу полягає в тому, що підготовка поверхні, що обробляється і кріплення виконується шляхом диспергування відповідних сполук (сумішей, розчинів) за допомогою вибуху розміщеного в них заряду вибухової речовини (ВР). Перевагами цього способу є використання тільки енергії вибуху, суміш наноситься на всю поверхню одночасно, процес протікає без присутності людей, суміш додатково ущільнюється, утворюючи більш міцний за своїми характеристиками матеріал.
Створенню пристроїв для вибухового способу набризкбетонування присвятили свої розробки Томашев Г.С., Кореневський В.В., Лукманов Р.Х., Прохоров А.М., Ягнишев В.С., Дементьєв І.В., Безматерних В.А., Щукін А.С., Артеменко А.П. Однак, параметри вибухового способу набризкбетонування дотепер залишаються не обґрунтованими.
Найбільш придатними за працездатністю, простотою і технологічністю є пристрої, що працюють за принципом розпилення цементно-піщаної суміші з судин, які легко руйнуються. Динаміка розпилення різних порошкових інгібіторів вибухом з таких пристроїв добре вивчена Стікачєвим В.І., Шевцовим М.Р., Михайловим А.Б. та ін., стосовно до створення запобіжного середовища при підривних роботах.
З урахуванням вище сказаного першочерговим є перевірка можливості використання для опису розльоту цементно-піщаного розчину під дією центрального вибуху закону дальності розльоту порошкових інгібіторів. При одержанні позитивного результату, це дозволить визначити оптимальні швидкісні і просторові параметри вибухового способу зведення набризкбетонного кріплення.
В другому розділі виконаний аналітичний аналіз впливу фазового стану конденсованих речовин на здатність їх диспергування під дією центрального вибуху еталонного заряду, встановлена закономірність розльоту цементно-піщаної суміші під дією центрального вибуху, розроблений метод визначення коефіцієнта ранжування речовин за здатністю диспергування, і встановлені його чисельні значення для різних речовин.
На підставі узагальнення фундаментальних положень теорії детонації і поширення ударних хвиль у гетерогенних середовищах (роботи Г.М. Ляхова, М.І. Полякової, В.М. Охітіна, А.Г. Чистова та ін.) було показано, що поширення ударної хвилі в цементно-піщаної суміші описується диференціальними рівняннями механіки суцільних середовищ з однаковим тиском у компонентах. У цьому випадку цементно-піщаний розчин розглядається як середовище з особливим рівнянням стиску і розвантаження Тэта, у якому за фактичні коефіцієнти рівняння були прийняті дані, отримані Л.В.Альтшулером і А.В.Балабановим. Це дозволило визначити тиск і швидкість речовини за фронтом ударної хвилі в будь-яку мить.
Подальший аналітичний розгляд процесу розриву речовини на межі розділу “цементно-піщаний розчин - навколишнє середовище” і узагальнення фундаментальних положень фізики наночасток, описаних Л.І.Гречіхіним, було доведено, що основним фактором, що впливає на здатність речовин диспергуватися, є коефіцієнт поверхневого натягу речовини.
Для рішення першої поставленої задачі, виходячи з наявності закону формування порошкової суспензії у повітрі, були проведені експерименти з не порошковими речовинами.
Експериментальні лабораторні висадження здійснювалися в умовах вибухової камери ДонНТУ і демонтуємого вугільного бункера шахти “Новогродівська”, що закривалася. За фактичні дані розльоту води були прийняті експериментальні дані, отримані В.І. Стікачєвим.
Методика проведення експериментів була такою: заряд вибухової речовини (250 г амоніта 6ЖВ) розміщався в центрі сферичної не порошкової оболонки та підривався. Одночасно ця подія знімалася швидкісною кінокамерою. Після обробки отриманої кінограми, будувалася ізохронна епюра розльоту речовини, і визначалася емпірична залежність радіуса розльоту від часу. Експеримент проводився з різними розчинами. Умови проведення експериментів і результати обробки отриманих кінограм зведені в табл. 1 і наведені на рис. 1.
Таблиця 1
Параметри вибухового диспергування різних розчинів
Найменування | Маса, кг | Емпірична залежність R=f(t) | Коефіцієнт кореляції
Водний розчин поверхньо-активної речовини | 20 | 0,9
Вапняний розчин | 15 | 0,9
Цементно-піщаний розчин | 20 | 0,9
Отримані емпіричні залежності радіуса поширення фронту часток від часу для різних розчинів мають такий же експонентний характер, як і закон розльоту порошкових речовин, встановлений Стікачєвим В.І., Шевцовим М.Р., Міхайловим А.Б.
Таким чином, проведені дослідження переконливо підтверджують, що
процес розльоту конденсованих оболонок під дією сферичного вибуху має
однаковий характер.
Для встановлення умов кількісного переходу будь-якої системи, що розпорошується, до порошкової, були проведені теоретичні дослідження, у результаті яких було встановлено, що закон формування дисперсної системи залежить тільки від кінцевого розміру часток дисперсної фази системи. Це означає, що закономірність розльоту оболонки з речовини А під дією центрального вибуху будь-якого заряду, буде така, як і оболонки з речовини Б, якщо відношення їхніх мас (сума мас окремих часток) буде дорівнювати відношенню поперечних розмірів окремих часток, а саме:
(1)
де d1 , d2 – діаметри часток речовин А і Б відповідно;
M1, M2 – маси оболонок речовин А і Б відповідно.
Рис. 1. Залежність радіуса розльоту від часу для різних рідких речовин.
Коефіцієнт пропорційності d2/d1 був позначений буквою “”, і названий коефіцієнтом ранжування речовин за здатністю їх диспергування (за діаметром часток, що утворюються, крапель) під дією вибуху центрального заряду.
Для перевірки вірогідності отриманих значень коефіцієнта ранжування був розроблений експериментальний метод визначення коефіцієнта ранжування. Для цього, насамперед, на підставі експериментальних даних вибухового розпилення порошків, отримані емпіричні залежності граничного радіуса хмари дисперсної системи (коефіцієнт кореляції 0,92):
(2)
і параметра П, що характеризує швидкість досягнення хмарою своїх граничних значень (коефіцієнт кореляції 0,98):
, (3)
де – приведена до еталонного заряду (0,2 кг угленіта Э-6) маса порошкової оболонки; А і b – коефіцієнти рівняння:
(4)
де R – радіус хмари дисперсної системи; t – час.
Для визначення коефіцієнта ранжування, методом швидкісної кінозйомки установлюється динаміка розльоту заданої оболонки, тобто установлюється залежність (3) і визначаються параметри А і b. Визначається показник П. Потім визначається приведена до еталонного заряду маса оболонки Мf за формулою:
(5)
де М – маса оболонки; fэт – енергетичний критерій еталонного заряду; fзар – енергетичний критерій заряду, що розпорошує.
Методом послідовних наближень визначається еквівалентна маса порошкової оболонки , при вибуховому розпиленні якої формується хмара з такими ж просторовими розмірами, як і при розпиленні приведеної оболонки, що має відмінну від порошків структуру. Коефіцієнт ранжування речовини визначається за формулою:
(6)
де - еквівалентна маса приведеної порошкової оболонки; - приведена до еталонного заряду (0,2 кг угленіта Э-6) маса розчину.
Теоретично та експериментально встановлені значення коефіцієнтів ранжування для водяного розчину ПАР, води, вапняного розчину, цементно-піщаної суміші були розраховані за результатами експериментів, представлених у табл. 1 і на рис. 1 і зведені в табл. 2. За фактичні дані розльоту пресованих порошків були прийняті експериментальні дані, отримані М.Р. Шевцовим.
Таблиця 2
Значення коефіцієнта ранжування |
Поро-шок | Водний розчин ПАВ | Вода | Вапня-ний розчин | Цементно-піщана
суміш | Пресовані порошки
Теоретичні | 1,0 | - | 1,35 | - | 1,69 | -
Експериментальні | - | 1,15 | 1,32 | 1,55 | 1,67 | 1,83…3,44
Гарна відповідність розрахункових і експериментальних значень коефіцієнтів ранжування підтверджує правильність розробленої фізико-математичної моделі розльоту речовини стосовно до вибухової технології торкретбетону.
У третьому розділі були визначені умови формування однорідного (без розшарування на окремі фази) багатофазного потоку при зведенні торкретбетонного кріплення вибуховим способом, а також експериментально встановлений розмір втрат суміші при зведенні торкретбетонного кріплення вибуховим способом в вертикальних гірничих виробках.
З метою встановлення ефективних, з погляду однорідності потоку, просторових параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення необхідно було теоретично і практично описати і вивчити розліт не пов'язаних між собою часток з урахуванням сил інерції й аеродинамічного опору. Для цього був розглянутий послідовний рух фронту часток заданого розміру. Встановлено, що рух часток у навколишньому повітрі описується низкою нелінійних диференціальних рівнянь другого порядку.
Коли швидкість руху твердих часток не буде перевищувати швидкості руху за сферичною ударною хвилею, рівняння руху має вигляд:
, (7)
де m – маса твердої частки сферичної форми; r0 – радіус твердої частки сферичної форми; Рст. – статичний тиск газу; Рдин. – динамічний тиск газу.
Коли швидкість руху частки перевищує швидкість руху газу за сферичною ударною хвилею, рівняння руху має вигляд:
, (8)
де vч – швидкість руху частки радіуса r0; – щільність газу за ударною хвилею.
Коли швидкість руху частки буде рівна чи більше швидкості руху сферичної ударної хвилі, рівняння руху має вигляд:
. (9)
Коли швидкість частки зменшується до швидкості звуку, режим дозвукового руху, описується рівнянням:
(10)
Як видно з рівнянь (7) - (10) на процес розльоту не пов'язаних між собою часток впливають тільки розміри і маса часток.
Для послідовного розгляду руху фронту часток був застосований метод кінцевих різностей. Для цього для кожного диференціального рівняння (7) – (10) були складені рекурентні співвідношення.
У результаті порівняльного аналізу розльоту часток розміром 0,05...1,00 мм під дією центрального вибуху тротилу (він має стабільні вибухотехнічні характеристики) масою 1,0 кг, було встановлено, що в початковий момент розльоту тверді частки прискорюються під дією статичного і динамічного напору без витрат енергії на гальмування. Частки малого розміру прискорюються значно швидше часток великого розміру, і рухаються у хмарі стиснутого повітря сферичною ударною хвилею, а частки великого розміру рухаються в хмарі часток малого розміру. Це призводить до вирівнювання швидкостей руху фронту розльоту часток різних розмірів.
Коли динамічний напір компенсується рухом часток, то виникає динамічне гальмування унаслідок витрат енергії на динамічний розліт навколишнього повітря і на роботу адіабатичного стиску повітря за фронтом ударної хвилі при надзвуковому русі. Швидкість руху всіх часток різних розмірів має максимум. Для часток малого розміру цей максимум яскраво виражений. При русі часток з швидкістю звука в повітрі реалізується дозвуковий рух і триває такий рух до моменту, коли статичний тиск, що виникає унаслідок вибуху, не стане таким, що дорівнює тиску навколишнього середовища.
У результаті розрахунків був побудований графік (рис. 2.). Як видно з рис. 2 при русі часток без взаємодії один з одним у потоці речовини, що розлітається, відбувається “розшарування” потоку на початку руху 0...1,5 м і в кінці руху 3,0...4,0 м. Основним фактором, що викликає дане явище, є повітряна ударна хвиля, викликана детонацією вибухової речовини і речовиною, що рухається з надзвуковою швидкістю.
На підставі вище сказаного був зроблений висновок про те, що треба визначити, як змінюється швидкість розльоту речовини в залежності від параметрів вибухової речовини й цементно-піщаної суміші, а, отже, як ці параметри впливають на “розшарування” цементно-піщаної суміші, що розлітається.
Методом диференціювання експонентної залежності (4) радіуса розльоту від часу і математичних перетворень була отримана формула для визначення швидкості розльоту речовини:
, (11)
де R – радіус, на якому необхідно визначити швидкість.
Застосовуючи у формулах (2), (3), (5) та (11) замість приведеної маси порошкової оболонки еквівалентну масу, методом послідовних наближень була визначена величина питомого, стосовно маси речовини, енергетичного критерію, при якому “розшарування” не спостерігається на видаленні до 4,0 м від центра вибуху, тобто речовина рухається з дозвуковою швидкістю. Цей показник для цементно-піщаної суміші повинний бути не більш ніж 9,2108 кгз-1/2Дж3/2 на кожен кілограм суміші. При збільшенні даного співвідношення відбувається інтенсивне “розшарування” на початковому етапі розльоту суміші.
Непряма перевірка даного висновку виконана шляхом визначення міцності торкретбетону, нанесеного на стінки вибухової камери відповідно до умови, формування однорідного потоку. За критерій даної перевірки була прийнята міцність торкретбетону проектного складу, що не піддавався впливу вибуху. При “розшаруванні” суміші під дією центрального вибуху під час нанесення її на стінки камери, буде спостерігатися зниження міцності нанесеного торкретбетону.
Перевірочні експерименти проводилися в умовах вибухової камери ДонНТУ. Суть експериментів полягала в наступному. У центрі камери підвішувався пристрій, наповнений цементно-піщаною сумішшю масою 100 кг і споряджений зарядом ВВ (300 г амоніта Т-19). За допомогою цього пристрою виконувалося торкретування стінок камери. Наприкінці терміну повного твердіння робилося визначення міцності нанесеного шару на поверхню камери методом визначення міцності бетону в конструкціях (табл. 3).
Таблиця 3
Кінцева міцність нанесеного вибухом та звичайного торкретбетону
Кінцева міцність торкретбетону, нанесеного вибухом, МПа | Кінцева міцність бетону, отриманого на вібростолі, МПа
20,3 | 17,0
18,7 | 16,6
21,3 | 20,7
Як видно з порівняльних даних, міцність нанесеного вибухом торкретбетону не нижче (а навіть вище) міцності бетону, отриманого з тієї ж суміші з використанням вібростолу.
Проведені дослідження підтверджуються даними, отриманими В.С.Ягнишевим і І.В.Дементьєвим, згідно з якими міцність зразків торкретбетону, підданих дії вибуху, у початковий момент твердіння на 30 % вище і після повного набору міцності не відрізняється від міцності зразків зі звичайної суміші.
Збільшення міцності монолітного бетонного кріплення, зводимого у безпосередній близькості від місця підривних робіт, під дією ударних хвиль відзначалося також при проведенні навколоствольного двору на шахті “Щегловка Глибока” М.Г. Жаворонковим і І.М. Берковичем.
Адгезія нанесеного шару перевірялася простим зрізуванням нанесеного на стінки вибухової камери торкретбетону. Дослідження показали, що зріз відбувався чи по тілу камери, чи по затверділому цементно-піщаному шару. Лінія контакту виявилася міцнішою за самі матеріали. Даний факт підтверджується експериментальними даними В.В.Козирєва, відповідно до яких ступінь адгезії залежить від міцності нанесеного шару.
Одночасно з випробуванням міцності нанесеного шару виконувалося вимірювання товщини шару втраченої суміші, що осіла на ґрунті камери. Встановлено, що втрати суміші у таких обставинах не перевищує 29,5 %.
У четвертому розділі був розроблений ефективний пристрій для реалізації способу і раціональні схеми розташування пристрою в гірничих виробках, а також методика встановлення параметрів вибухового способу; викладені результати дослідно-промислового випробування вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення й зроблена його економічна оцінка.
Розглянута технологія ремонту та посилення кріплення гірничих виробок за допомогою вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення. За основну схему розташування пристрою в вертикальній виробці була прийнята схема, відповідно до якої пристрій розташовується уздовж осі виробки. За основну схему розташування пристрою, що легко руйнується, у горизонтальних і похилих виробках для реалізації способу, з погляду раціональності, була прийнята схема з покладеною на ґрунті виробки судиною великої ємності, динаміка розльоту суміші з якої аналогічна, за даними А.Б.Михайлова, динаміці розльоту з підвішених судин. Вісь заряду розташовується уздовж осі виробки, для досягнення найбільш ефективного нанесення суміші. При необхідності можуть підвішуватися допоміжні пристрої над основним.
Методика визначення оптимальних швидкісних і просторових параметрів вибухового способу полягає в перевірці і встановленні параметрів вибухової речовини і цементно-піщаної суміші, при яких не буде відбуватися “розшарування” і буде виконуватися нанесення суміші з мінімальним відскоком (рис. 3).
Оптимальна, з погляду мінімізації втрат і максимізації міцності, швидкість співударяння часток об стінки виробки для торкретбетонної суміші дорівнює 30...40 м/с, згідно даним, отриманим В.І. Шавріним і Б.Т.Грязновим. Для набризкбетонної суміші оптимальна швидкість значно менша через присутність великого заповнювача і складає 6...16 м/с, за даними Є.В.Казакевича, підтвердженими дослідженнями в області моделювання процесів автоматизованого нанесення набризкбетону, виконаними О.М. Шашенком, Є.В. Кухаревим та ін.
Для спрощення визначення маси суміші, що підривається, та типу й маси заряду, були побудовані графіки залежності маси суміші від радіуса виробки.
Дослідно-промислове випробування способу проводилися в умовах проходки вентиляційного вертикального стволу на шахті “Зоря” ВО “Сніжнеантрацит”. На час випробування глибина ствола складала 776 м. Діаметр ствола в проходці – 7,3зм. Втрати суміші не перевищили 32 %.
Також випробування виконувалися при ремонті вибухової камери ДонНТУ. Тут камера штукатурилася і білилася за допомогою вибухового способу торкрет бетонування (рис. 4). Втрати суміші не перевищили 29,5 %. Міцність нанесеного шару, після остаточного набору міцності, складала 21,3 МПа.
Експериментально встановлено, що розроблена методика визначення ефективних швидкісних і просторових параметрів способу є правильною. Вибуховим способом з використанням вкладених на ґрунті пристроїв можна наносити торкретбетонне кріплення у горизонтальних і похилих виробках шириною не більш ніж 8 м, і висотою не більш ніж 4 м (без підвішування). При інших розмірах виробки варто застосовувати дворядну схему розміщення пристроїв (споряджених судин).
Оцінка ефективності вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення, що була зроблена, дозволяє зробити висновок, що розроблений спосіб є економічно ефективним і відносно прямих затрат є дешевшим за традиційний на 30…40 %.
ВИСНОВКИ
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій на основі вперше встановлених закономірностей динаміки розльоту цементно-піщаної суміші, в тому числі дальності розльоту та однорідності потоку, вирішена актуальна науково-технічна задача зведення торкретбетонного кріплення на поверхню об'єкта, що закріплюється, за допомогою вибуху, яка має важливе значення для гірничо-видобувної промисловості України.
Основні наукові і практичні результати роботи:
1.
Визначено, аналітично й експериментально підтверджене положення про те, що характер розльоту конденсованих оболонок під дією центрального вибуху однаков для порошкових та рідких речовин; речовини відрізняються тільки ступенем диспергування, тобто розмірами утворених при вибуху часток. Це дозволило для врахування впливу динамічності розльоту різних конденсованих речовин під дією центрального вибуху використовувати відомий закон розширення порошкової суспензії у повітрі.
2.
Уперше використаний метод ранжування різних речовин за ступенем їх диспергування під дією центрального вибуху. Розроблена методика встановлення значення коефіцієнта ранжування. Експериментально встановлені чисельні значення коефіцієнтів ранжування для води, водяного розчину ПАР, вапняного розчину і цементно-піщаної суміші.
3.
Уперше встановлене співвідношення параметрів заряду ВР і маси цементно-піщаної суміші, при яких відбувається якісне, тобто без “розшарування”, нанесення суміші. Це співвідношення чисельно виражається питомим енергетичним критерієм і повинне дорівнювати не більш ніж 9,2108 кгз-1/2Дж3/2 на кожен кілограм суміші.
4.
Експериментально підтверджений позитивний вплив ударних хвиль на міцність і адгезію торкретбетонного кріплення.
5.
Отримана емпірична залежність дальності розльоту речовини в залежності від параметрів вибухової речовини і маси речовини, що підривається. Розроблена методика встановлення, необхідних для якісного і раціонального зведення торкретбетонного кріплення, параметрів вибухової речовини і маси суміші.
6.
Розроблена раціональна конструкція пристрою для нанесення торкретбетону вибухом.
7.
Дослідно-промислові і прийомні випробування вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення виконані при проходці вентиляційного ствола шахти “Зоря” ПО “Сніжнеантрацит”, а також при ремонті вибухової камери ДонНТУ і підтвердили достатню ефективність і безпеку способу.
8.
Раціональною областю застосування розробленого способу може бути ремонт кріплення гірничих виробок, зведення тимчасових торкретбетонних кріплень при проведенні горизонтальних і похилих виробок шириною до 8 м і висотою до 4 м без підвішування судин (при підвішуванні судин висота виробки не обмежена), а також в вертикальних шахтних стволах, гезенках, свердловинах великого перетину та камерних виробках.
9.
Вибуховий спосіб зведення торкретбетонного кріплення є економічно ефективним і відносно прямих затрат є дешевшим за традиційний на 30…40 %.
Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації:
1. Макаров А.А., Шевцов Н.Р., Сирачев И.Ж., Хоменчук О.В. Промышленные испытания экологически чистой взрывной технологии ликвидации поверхностного комплекса закрываемых угольных шахт // Проблеми екології. – Донецк: ДонНТУ. – 2002. – №1. – С.24-29.
2. Шевцов Н.Р., Антоневич Ю.И., Хоменчук О.В. Диаграмма распыления бетонной смеси взрывом свободно подвешенного заряда // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. – 2002. - № 1. – С.28-31.
3. Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Промышленные испытания технологии возведения набрызгбетонной крепи взрывным способом // Наукові праці ДонНТУ: серія гірничо-геологічна. Вип. 54. – Донецьк, ДонНТУ. – 2002. – С.94-99.
4. Гречихин Л.И., Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Основы теории распыления оболочек из жидких и порошковых материалов центральным взрывом // Проблеми гірського тиску. – Донецьк, ДонНТУ. – 2003. – № 9. – С. 236-256.
5. Гречихин Л.И., Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Динамика распыления оболочек из жидких и порошковых материалов // Наукові праці ДонНТУ: серія гірничо-геологічна. Вип. 72. – Донецьк, ДонНТУ. – 2004. – С.41-46.
6. Гречихин Л.И., Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Динамика разлета частиц разных веществ при проведении взрывных строительных работ // Наукові праці ДонНТУ: серія гірничо-геологічна. Вип. 96. – Донецьк, ДонНТУ. – 2005. – С.50-55.
7. Хоменчук О.В. Взрывной способ нанесения набрызгбетонной крепи армированной стальным волокном // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Тезисы докладов науч.-техн. конф. – Донецк: ЦБТИ, 2000. – С.18.
8. Хоменчук О.В. Управление динамикой взрывного распыления материалов с различными физическими характеристиками // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Тезисы докладов мекждунар. науч.-техн. конф.– Донецк: “Норд-Пресс”, 2003. – С.34-36.
9. Хоменчук О.В. Динамика разлета частиц из уложенных сосудов при взрывном способе возведения набрызгбетонной крепи // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Тезисы докладов мекждунар. науч.-техн. конф. – Донецк: “Норд-Пресс”, 2004. – С.84.
10. Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В., Михайлов А.Б. Динамика взрывного распыления материалов с различными физическими характеристиками // Сб. научн. трудов “Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах”. – Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 2003. – С. 134-139.
11. Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Взрывной способ набрызгбетонирования // Сборник научных трудов НГУ. – Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. – № 17. – Том 2. – С.43-49.
12. Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В. Взрывной способ набрызгбетонирования и побелки горных выработок // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. – Донецк: Норд-Пресс, 2003. – Вып.3. – С. 164-169.
13. Шевцов Н.Р., Хоменчук О.В., Рублева О.И. Параметры взрывного способа возведения набрызгбетонной крепи и методика их определения // Материалы междунар.научн.-практ.симпоз. “Современные проблемы шахтного и подземного строительства”.– Донецк: Норд-Пресс. – 2005. – Вып. 6.– С. 66-74.
Особистий внесок в роботи, опубліковані у співавторстві:
[1] – обробка отриманих результатів промислового випробування; [2] – обробка статистичних даних динаміки розльоту речовин, побудування діаграми, редагування публікації; [3] – теоретичне обґрунтування та розробка параметрів пристрою, проведення дослідно-промислового випробування, обробка та аналіз отриманих результатів, редагування публікації; [4-6] – постановка завдання теоретичного обґрунтування коефіцієнта ранжування речовин, обробка результатів теоретичних досліджень, редагування публікації; [10] – проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз отриманих результатів, встановлення коефіцієнта ранжування речовин, редагування публікації; [11] – узагальнення отриманих результатів досліджень, розробка технологічних схем розміщення пристроїв в виробках, редагування публікації; [12] – проведення експериментальних досліджень та випробувань, обробка та аналіз отриманих результатів, редагування публікації; [13] – розробка методики визначення параметрів способу.
АНОТАЦІЯ
Хоменчук О.В. Обґрунтування параметрів вибухового способу зведення торкретбетонного кріплення при забезпеченні стійкості виробок. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04 – “Шахтне і підземне будівництво”. – Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України. – Дніпропетровськ, 2007.
Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності зведення та ремонту кріплення за допомогою торкретбетону, що зводиться за допомогою вибуху. Встановлена закономірність розльоту цементно-піщаної суміші під дією центрального вибуху. Визначені умови формування однорідного багатофазного потоку цементно-піщаної суміші при зведенні торкретбетонного кріплення вибуховим способом. Уперше розроблена методика визначення оптимальних швидкісних та просторових параметрів вибухового способу торкретбетонування. Розроблені технологічні схеми реалізації способу в гірничих виробках. Проведено дослідно-промислову перевірку ефективності розроблених заходів.
Ключові слова: вибуховий спосіб торкретбетонування, заряд ВР, динамічність, коефіцієнт ранжування, цементно-піщана суміш, розшарування.
АННОТАЦИЯ
Хоменчук О.В. Обоснование параметров взрывного способа возведения торкретбетонной крепи при обеспечении устойчивости выработок. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 – “Шахтное и подземное строительство”. – Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины. – Днепропетровск, 2007.
Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности возведения торкретбетонной крепи при помощи взрыва.
В работе предложен новый подход к установлению основных законов динамики разлета цементно-песчаной смеси.
Показано, что характер разлета конденсированных оболочек под действием сферического взрыва одинаков, что позволяет определять радиус сформировавшейся в заданный момент времени любой дисперсной системы, используя известный закон расширения аэровзвеси, посредством учета степени диспергируемости вещества через коэффициент ранжирования веществ по степени их диспергирования при воздействии взрывом.
Приведена модель образования частиц на границе раздела сред “вещество-окружающая среда”, из которой следует, что при равенстве начальных скоростей разлета разных веществ отношение их масс равно отношению их размеров и равно постоянной величине. Определены теоретические и экспериментальные значения коэффициента ранжирования для различных веществ.
Разработана математическая модель разлета несвязных частиц с учетом сил инерции и аэродинамического сопротивления. Доказано, что основным фактором, вызывающим “расслоение” потока смеси, является воздушная ударная волна, вызванная детонацией взрывчатого вещества и движением вещества со сверхзвуковой скоростью.
Аналитически установлено и экспериментально подтверждено соотношение параметров заряда ВВ и цементно-песчаного раствора, при которых происходит качественное, т.е. без “расслоения” нанесение торкретбетонной крепи.
Разработана конструкция устройства для реализации способа и схемы и рекомендации по расположению его в различных выработках.
Впервые разработана методика определения параметров взрывчатого и взрываемого вещества для эффективного возведения торкретбетонной крепи взрывным способом. С точки зрения минимизации потерь смеси, при возведении крепи, методика учитывает оптимальную скорость соприкосновения частиц с поверхностью выработки.
Проведена опытно-промышленная проверка эффективности разработанных мероприятий. Экспериментально подтверждено положительное влияние взрывных ударных волн на прочность и адгезию торкретбетонной крепи.
Проведено внедрение разработанной технологии при ремонте взрывной камеры ДонНТУ, позволившее установить, что используя взрывной способ возведения торкретбетонной крепи можно эффективно возводить надежную и безопасную крепь в кратчайшие сроки.
Ключевые слова: взрывной способ торкретирования, заряд ВВ, динамичность, коэффициент ранжирования, цементно-песчаная смесь, расслоение
ANNOTATION
Khomenchuk О.V. Grounding of the parameters of explosive erection of shotcrete during the conduction of mining excavations.- Manuscript.
It is the thesis for scientific degree of the candidate of technical science on spatiality 05.15.04 – “Mine and underground construction”.- National mining university of Department of education and science of Ukrain, Dnepropetrovsk, 2007.
The dissertation is devoted to the questions of rising the efficiency of explosive erection of shotcrete. The conformity of flying away of cement-sandy mixture under the action of central explosion was set. The conditions of forming of disperse system from a cement-sandy mixture during explosive erection of shotcrete was determined in this thesis. The methodic of determination of the parameters of explosives in order to erect shotcrete by explosive method was developed here for the first time. The schemes of the devises’ location in excavations was worked out in this dissertation. It was conducted the experimentally-industrial control of the efficiency of the developed measures.
Keywords: explosive method of shotcrete, charge of explosive, dynamic, coefficient of ranging, cement-sandy mixture, stratification.
