Актуальность работы. В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительстве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т.д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочность и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды. К таким способам относятся: искусственное замораживание горных пород, закрепление их связывающими растворами, химическое и электрохимическое закрепление горных пород, водопонижение, а также специальные способы проходки горных выработок, например, кессонный. Общими недостаткам этих способов закрепления неустойчивых горных пород помимо, главным образом, низкой надежности и производительности являются также значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы.

Между тем, в последнее время на рынке машиностроительной техники, главным образом за рубежом (Япония Италия и Англия), появилось большое количество оборудования, использующего для закрепления в основном грунтов способ гидроструйной цементации (ГСЦ) при строительстве оснований и фундаментов, возведении свай и т.д. Сущность ГСЦ горных пород (Jеt grouting) заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в породный массив и вращающейся в плоскости перпендикулярной оси предварительно пробуриваемой до проектной отметки скважины с одновременным перемещением вдоль этой оси обратным ходом до следующей проектной отметки без создания в массиве избыточного давления. В результате разрушения и перемешивания горной породы суспензионной струей формируется закрепленный породный массив цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала - породобетона. Необходимо отметить, что ГСЦ позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных горных пород как природного, так и техногенного происхождения. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в последнее десятилетие способ ГСЦ горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру, однако практически минуя при этом горную промышленность.

В силу своей новизны и коммерческой ценности, результаты научных исследований, посвященных установлению закономерностей закрепления горных пород способом ГСЦ, в открытой печати практически не публикуются, а существующие технологические и конструктивные решения ГСЦ грунтов имеют специфику, характерную, прежде всего, для строительной отрасли и не могут в имеющемся виде быть использованы при проектировании горного оборудования. Производство же специальных буровых установок для реализации технологии ГСЦ неустойчивых пород для нужд горной промышленности в России в настоящее время отсутствует. Объясняется это следующими причинами. Представления о механизме ГСЦ горных пород противоречивы и не имеют достаточного обоснования. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров и установлению обобщающих зависимостей для определения показателей процесса ГСЦ горных пород, которые позволили бы разработать методику расчета соответствующего оборудования. Кроме того, для реализации технологии ГСЦ помимо базовой машины и насосного агрегата, требуются исследования и разработка специального оборудования, а именно буровых ставов и их элементов (гидросъемника - устройства, предназначенного для передачи высоконапорного суспензионного потока от неподвижного подводящего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны, буровых штанг и гидромонитора), а также автоматической системы управления (АСУ) процессом ГСЦ горных пород.

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

Работа выполнялась в рамках государственного контракта 65-К-9/2209 "Разработка буровой установки для возведения высоконагруженных грунтобетонных свай".

Цель работы. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород на основе установленных закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями, что обеспечивает повышение эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ.

Идея работы заключается в использовании эффекта повышения прочности и устойчивости горных пород в массиве путем разрушения и перемешивания их высокоскоростными водоцементными струями и создании на основе установленных закономерностей, и при рациональных параметрах этого процесса эффективного оборудования для закрепления неустойчивых пород с учетом специфики горного производства.

Работа соответствует шифру специальности 05.05.06 - Горные машины, ее формуле, а также пунктам "Изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды", "Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов", "Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями" области исследования.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение способов и средств для закрепления неустойчивых горных пород; обобщение опыта эксплуатации оборудования для получения высокоскоростных струй и результатов работ по ГСЦ неустойчивых горных пород; теоретические исследования на базе математического моделирования и численных экспериментов процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом; экспериментальные исследования процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с использованием разработанных буровых ставов в стендовых и промышленных условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

Результаты исследований, изложенные в диссертации, включены в 3 научных отчета по хоздоговорным и госбюджетным темам, выполненным на основании заказов от Администрации Тульской области, Тульского регионального отделения Академии горных наук (ТРО АГН). Материалы диссертационной работы в виде рекомендаций и инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования, а также пакеты прикладных программ по математическому моделированию процесса ГСЦ неустойчивых горных пород и методики расчета переданы ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, г. Москва, ОАО НВСП "Техпрогресс", г. Санкт-Петербург, и ООО "Скуратовский машиностроительный завод" (СМЗ) и использованы при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов оборудования для реализации технологии ГСЦ неустойчивых горных пород.

Опытные образцы буровых ставов прошли промышленные испытания на ОАО НВСП "Техпрогресс" и приняты к производству на ООО "СМЗ". Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий ТулГУ.

Результаты работы также использованы ТРО АГН и ООО "СМЗ" при создании гидромеханических исполнительных органов и универсальной системы высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП-21.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы "Бурильные машины и установки" для студентов ТулГУ, обучающихся по направлению 150400 "Технологические машины и оборудование", а также "Гидроструйные технологии и оборудование" и "Основы проектирования горных машин и оборудования" для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 150402 "Горные машины и оборудование". Пакеты расчетных программ используются при курсовом и дипломном проектировании, а также подготовке магистерских диссертаций.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на 1-ой международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Тула, 1997 г.), 5-ой международной конференции стран Тихоокеанского региона "Водоструйные технологии" (г. Дели, Индия, 1998 г.), 14-ой интернациональной конференции "Струйные технологии" (г. Брюгге, Бельгия, 1998 г.), международной конференции "Новые применения водоструйной технологии" (г. Исиномаки, Япония, 1999 г.), научно-технической конференции "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов". (г. Тула, 2000 г.), 2-ой Международной конференции по проблемам рационального природопользования. (г. Тула, 2002 г.), 3-й Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна" (г. Тула, 2002 г.), 4-й Всероссийской конференции "Геоинформационные технологии в решении региональных проблем" (г. Тула, 2002 г.), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики (г. Тула, 2003 г.), научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 2004-2007 гг.), технических советах ОАО НВСП "Техпрогресс" (г. Санкт-Петербург 2004-2007 гг.), и ООО "Скуратовский машиностроительный завод" (г. Тула, 2004-2007 гг.), международных конференциях "Гидроструйные технологии" (2003, 2006 гг.), научных симпозиумах "Неделя горняка" (г. Москва, 2005, 2006, 2007 гг.), 2-ом и 3 - ем международном северном социально-экологическом конгрессе "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" (г. Воркута, 2006, 2007 гг.), III-ем международном научном симпозиуме (г. Орел, 2006 г.),. IV семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 2007 г.),

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 статьи, одна монография и получен патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 260 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 34 таблицы, список использованной литературы из 228 наименования и 5 приложений.

Основное содержание работы

Известно, что подземные и открытые горные работы существенно осложняются, в случае если они проводятся в неустойчивых и обводненных горных породах. Традиционной технологией ведения работ предусматривается отвод воды от забоя по дренажным канавам или откачка с помощью насосов. Большие трудности проявляются, например, при проходке стволов или наклонных горных выработок, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено. Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить стабилизацию горных пород в забое или исключить попадание воды в подземные выработки. Применение же специальных способов и средств закрепления неустойчивых и обводненных горных пород позволяет изменить их физико-технические свойства, повысить прочность и устойчивость пород, а также частично или полностью устранить приток воды. К числу таких специальных способов относятся: искусственное замораживание горных пород; водопонижение; закрепление горных пород связывающими растворами; химическое (силикатизация, смолизация и битумизация) и электрохимическое закрепление горных пород и др. При этом используются буровая техника, холодильные установки, насосное и другое оборудование. К общим недостаткам этих способов ведения горных работ следует отнести низкую эффективность закрепления массивов, значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы. Более эффективной альтернативой этим способам закрепления породных массивов является способ ГСЦ горных пород.

Анализ результатов исследований, выполненных И.И. Бройдом, Л.И. Малышевым, М.Ф. Хасиным, C. S. Covil, G. Guatteri, T. Yahiro, H. Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ горных пород является наиболее прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и неустойчивых пород для последующей проходки и поддержания горных выработок, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных завес, укрепления откосов при ведении открытых горных работ.

Процесс ГСЦ горных пород сводится к следующему (рис.1). На первом этапе специально оборудованной под ГСЦ буровой установкой бурится пилотная скважина заданного диаметра (см. рис.1, а). Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с промывкой цементным или глинистым раствором под давлением, не превышающим 5 МПа. Промывочная жидкость подается непосредственно в буровой инструмент. На следующем этапе (см. рис.1, б) насосной установкой высокого давления (на рис.1 не показана) к струеформирующей насадке подается водоцементный раствор под давлением 40 - 60 МПа. При этом автоматически перекрывается канал промывки, и открывается канал питания струеформирующей насадки (или насадок, если их несколько) диаметром 0,8 - 3 мм. Причем насадка ориентирована таким образом, чтобы истекающая струя была направлена перпендикулярно оси буровой колонны. Включается вращение буровой колонны и начинается ее перемещение до заданной отметки (см. рис.1, в). В результате происходит разрушение и перемешивание породы за счет высокой кинетической энергией водоцементной струи. Таким образом, формируется массив закрепленной горной породы цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала - породобетона.

гидроструйная цементация неустойчивая порода

Рис.1. Технологическая последовательность получения закрепленного массива способом ГСЦ: а - бурение пилотной скважины; б - разрушение и перемешивание горной породы водоцементной суспензионной струей; в - извлечение буровой колонны из закрепленного массива: 1 - базовая буровая установка; 2 - буровой став; 3 - буровой инструмент; 4 - породный массив неустойчивых горных пород; 5 - закрепленный породный массив; 6 - горная выработка

К преимуществам технологии ГСЦ по сравнению с известными технологиями упрочнения неустойчивых горных пород можно отнести следующие:

обеспечение долговременного характера закрепления массива после снятия закрепляющего воздействия по сравнению с самым распространенным способом - замораживанием;

высокая скорость выполнения работ по закреплению массива;

принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных подземных условиях (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь цементировочный комплекс может располагаться на некотором удалении, например, в капитальной горной выработке);

возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;

отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);

чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты, количество материалов и стоимость работ).

Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по ГСЦ горных пород состоит из источника водоцементной суспензии высокого давления и буровой установки со специализированным навесным оборудованием.

Источник водоцементной суспензии высокого давления, в свою очередь, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления; миксерную станцию и силос для хранения цемента, которые объединяются при помощи системы трубопроводов. Насосное оборудование, полностью отвечающее требуемым технологическим параметрам, на сегодняшний день выпускается серийно как отечественной, так и зарубежной промышленностью.

В качестве базовой буровой установки наиболее подходящими образцами, на наш взгляд, являются машины СБГ-3 и СБГ-3321, производства ООО "СМЗ".

Однако технология ГСЦ неустойчивых пород не нашла пока широкого применения в горной промышленности, поскольку производство буровых станков со специализированным навесным оборудованием, габаритные, массовые и другие характеристики которых позволяли бы эффективно применять их в подземных условиях, в России в настоящее время не налажено. И вот почему:

механизм и закономерности процесса ГСЦ горных пород практически не изучены;

не разработаны буровые ставы, включающие в себя следующие основные элементы: гидросъемник, обеспечивающий подачу водоцементной суспензии от насосного блока во вращающуюся буровую колонну; линейные секции става (буровые штанги), обеспечивающие подачу суспензии к монитору и передачу осевого усилия и крутящего момента от вращателя станка к буровому инструменту; и гидромонитор, оснащенный струеформирующей насадкой, служащей для формирования высокоскоростной суспензионной струи и предназначенной для разрушения и перемешивания горных пород;

отсутствуют обоснованные рекомендации по разработке и созданию буровых ставов и их элементов для осуществления ГСЦ горных пород;

не выработаны научно-обоснованные рекомендации по определению рациональных режимов работы оборудования;

не разработана АСУ перемещения буровой колонны с заданной скоростью для обеспечения гарантированого качества работ по устройству закрепляемого массива требуемой формы в виде тела вращения без разрывов и необходимым содержанием цемента в единице объема породы;

отсутствует инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.

Кроме того, осуществление мероприятий по обоснованному сокращению номенклатуры применяемых насосных установок предопределяет необходимость разработки типоразмерного и параметрического рядов машин для ГСЦ горных пород.

На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

1. Разработка математической модели процесса ГСЦ неустойчивых горных пород на основе современных представлений о разрушении материалов затопленными струями, обеспечивающей раскрытие механизма и установление его закономерностей.

2. Разработка методических основ и создание экспериментальной базы для проведения исследований процесса и средств ГСЦ горных пород.

3. Проведение экспериментальных исследований процесса ГСЦ горных пород, включающих:

установление закономерностей влияния конструктивных и режимных параметров, а также физико-технических свойств горных пород на показатели процесса формирования закрепляемого массива горных пород при ГСЦ;

получение расчетной зависимости для определения диаметра закрепляемого массива;

установление рациональных параметров процесса ГСЦ горных пород.

4. Разработка и проведение экспериментальных исследований буровых ставов и их элементов для реализации технологии ГСЦ горных пород, включающих:

разработку параметрического и типоразмерного рядов буровых ставов и источников высокого давления водоцементной суспензии;

разработку элементов буровых ставов (гидросъемника, буровых штанг и гидромонитора) и проведение их испытаний.

5. Разработка АСУ процессом ГСЦ горных пород.

6. Создание станка для ГСЦ и проведение его испытаний.

7. Разработка инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.

Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ горных пород, являются (рис.2):

конструктивные: диаметр пилотной скважины , коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку , диаметр отверстия струеформируещей насадки ;

режимные: плотность водоцементной суспензии с, скорость перемещения буровой колонны , частота вращения буровой колонны , давление водоцементной суспензии ;

физико-технические свойства горных пород.

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива , скорость приращения объема закрепляемого породного массива ₍производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород .

Рис.2. Схема ГСЦ горных пород: 1 - буровая колонна; 2 - струеформирующая насадка; 3 - водоцементная суспензионная струя; 4 - механический буровой инструмент; 5 - породобетон; 6 - закрепляемый исходный массив

Анализ результатов исследований, выполненных Г.Н. Абрамовичем, В.Е. Бафталовским, В.А. Бреннером, Ю.А. Гольдиным, А.Б. Жабиным, И.М. Коноваловым, Н.К. Кузьмичем, И.М. Лавитом, В.Г. Мерзляковым, Г.А. Нурок, А.Е. Пушкаревым С.С. Шавловским, и др. учеными, позволил выявить основные положения теории и практики применения гидравлических струй как угле - и породоразрушающего инструмента в процессах гидроструйных технологий в горном производстве. В соответствии с принятой классификацией высокоскоростная водоцементная струя с учетом присущих ей особенностей при ГСЦ неустойчивых горных пород является затопленной струёй, осуществляющей свою работу по разрушению в условиях среды близкой плотности.

В связи с этим при математическом описании процесса ГСЦ неустойчивых горных пород было принято допущение о равенстве плотности водоцементной струи и плотности среды. Исходя из этого, гидродинамические параметры водоцементной струи определяются следующим образом (рис.3).

Рис.3. Расчетная схема взаимодействия водоцементной суспензионной струи с породным массивом:

1 - буровой став; 2 - водоцементная струя; 3 - исходный породный массив; 4 - закрепленный породный массив; R₁ - радиус цементируемого породного массива, м;

l_{0 -} расстояние от среза струеформирующей насадки до поверхности массива, м;

h - глубина разрушения массива, м; S - площадь контакта струи с массивом, м²;

D_{м -} диаметр монитора, м

Скорость по оси водоцементной струи, м/с, определяется по формуле

, (1)

где l_i - расстояние от струеформирующей насадки до произвольной точки на оси струи, м; v₀ - скорость на срезе насадки, м/с; d₀ - диаметр отверстия струеформирующей насадки, м.

Скорость в произвольной точке струи, м/с, определяется из выражения

, (2)

где r - расстояние по нормали от оси струи до рассматриваемой точки, м.

Диаметр струи, м, рассчитывают по зависимости

, (3)

Угол разлёта струи, град, находится по формуле

. (4)

где l = l₀ + h - глубина проникновения, м

Формулы (1) - (4) получены путем адаптации к условиям ГСЦ неустойчивых горных пород известных и получивших экспериментальное подтверждение аналитических выкладок Г.Н. Абрамовича. При этом разрушение породного массива происходит в результате последовательного отделения (сдвига) слоёв породы под действием гидродинамического давления на площади поверхности контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления F_сц и трения F_тр вдоль поверхности сдвига.

Расчет силы воздействия струи осуществляется по зависимости

, (5)

где Р - давление на выходе из струеформирующей насадки, МПа; с_{m -} плотность горной породы в массиве, кг/см³.

Математическое описание разрушения породного массива при его ГСЦ основано на представлении массива горных пород в виде пластической модели, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора:

Исходя из этого, условием разрушения является следующее соотношение:

, (7)

где б - угол наклона касательной к поверхности разрушения (см. рис.3).

Совместное решение соотношений (1), (3) и (7) с учетом равенства (4) позволяет рассчитать значение б по всей длине линии сдвига, что однозначно определяет форму и объем разрушаемого слоя породного массива и позволяет оценить эффективность воздействия водоцементной струи при ГСЦ горных пород.