Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРнича АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

ВЛАДИКО Олександр Борисович

УДК 622. 267. 023.67 :624. 138.4

ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ СТВОРЕННЯ ПРОТИФІЛЬТРАЦІЙНИХ ЗАВІС СТРУМЕНЯМИ ВИСОКОГО ТИСКУ ЗАКРІПЛЯЮЧИХ РОЗЧИНІВ

Спеціальність: 05.15.09 - Механіка ґрунтів і гірських порід

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник ВЛАСОВ Сергій Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України, Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник ХАПІЛОВА Неля Сергіївна, завідувач відділу аналітичних методів механіки гірських порід Інституту прикладної математики і механіки НАН України (м. Донецьк)

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник КОЛЕСНИКоВ Володимир Григорович, завідувач відділу аерогазодинаміки Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа - Донбаський гірничо-металургійний інститут, кафедра будівництва шахт і підземних споруд Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Захист відбудеться “28 ” грудня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 080.04 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (47027, Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (47027, Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 26 листопада2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, докт. техн. наук А.М. Роєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Завдання забезпечення необхідних умов експлуатації підземних виробок у слабких обводнених породах має важливе значення для розвитку народного господарства України. Наявність водопритоків ускладнює експлуатацію діючих гірничих виробок і підземних споруд. Головними чинниками, що погіршують умови експлуатації, є висота напору підземних вод, проникність і потужність водовмісних порід.

Одним із найбільш поширених засобів поліпшення умов експлуатації підземних споруд є осушення. Проте в багатьох випадках осушення не завжди дозволяє забезпечити необхідні умови експлуатації підземних об'єктів, а зниження рівня підземних вод завдає непоправної шкоди екології. Тому одним з основних шляхів ліквідації негативного впливу підземних вод на такі об'єкти є формування навколо них протифільтраційних завіс.

Найбільше поширення в 80-90 р. р. як в Україні, так і за рубежем знайшли такі способи спорудження протифільтраційних завіс, як хімічний, електрохімічний і спосіб струминного закріплення порід. В умовах фільтрації напірних вод для спорудження протифільтраційної завіси найбільш ефективним способом є використання високонапірних струменів закріплюючих розчинів. Проте й дотепер дослідниками не були встановлені закономірності формування таких завіс у слабких обводнених породах. У зв'язку з цим виникла необхідність обґрунтування раціональних технологічних параметрів створення протифільтраційних завіс із допомогою високонапірних струменів закріплюючих розчинів. Для цього було необхідно виконати комплекс досліджень, що включають оцінку впливу різноманітних технологічних параметрів на товщину протифільтраційної завіси і глибину проникання закріплюючого розчину в дисперсні породи, установлення залежності кількості закріплюючих розчинів в одиниці об'єму на фільтраційні і міцнісні властивості протифільтраційних завіс, а також розробити технологію формування протифільтраційних завіс, яка забезпечить експлуатацію об'єктів у слабких дисперсних породах.

Дана дисертаційна робота присвячена вирішенню цього актуального науково-технічного завдання.

Дисертаційна робота виконана відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 1995 - 1998 рр. (теми ГП-186, ГП-239), до програми №20 "Розробити і впровадити ресурсозберігаючі і екологічно чисті технології видобутку і переробки вугілля", в відповідності з координаційним планом Міністерства освіти і науки України №39 з фундаментального напрямку "Гірничі науки".

Мета роботи - обґрунтування і розробка технологічних параметрів формування протифільтраційних завіс у слабких дисперсних породах за допомогою високонапірних струменів закріплюючих розчинів, що забезпечують підвищення ефективності захисту підземних об'єктів і гідротехнічних споруд.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації поставлені і вирішені такі задачі:

1. Визначити раціональну швидкість підняття струминного монітора, при якій високонапірний струмінь проникає на максимальну відстань і не викликає перевитрат закріплюючого розчину.

2. Встановити закономірності зміни глибини проникнення високонапірних струменів від густини закріплюючих розчинів, щільності й ударної в'язкості оброблюваної породи з урахуванням раціональної швидкості підняття монітора.

3. Встановити розмір зміни товщини протифільтраційної завіси залежно від фізичних (густини закріплюючого розчину й оброблюваної дисперсної породи, а також ударна в'язкість породи) і технологічних (діаметр сопла, раціональна швидкість підняття монітора, тиск при поданні закріплюючого розчину) параметрів.

4. Визначити потрібні об'єми перемішування закріплюючого розчину з породою, які дозволять забезпечити необхідний коефіцієнт фільтрації завіс, що споруджуються.

5. Для вирішення різноманітних гірничотехнічних задач гідроізоляції підземних об'єктів розробити методику і провести експериментальну апробацію формування протифільтраційних завіс за допомогою високонапірних струменів закріплюючого розчину.

Основна ідея роботи полягає у формуванні нової структури слабких фільтраційних порід шляхом їхнього попереднього руйнування високонапірними струменями закріплюючих розчинів речовин із наступним їхнім твердінням.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- товщина противофільтраційної завіси в дрібнозернистих пісках при збільшенні діаметра сопла струминного монітора з 0,003 до 0,006 м змінюється за степеневим законом від значень 0,03 до 0,08 м, що дозволяє визначати раціональні технологічні параметри її формування;

- із збільшенням густини закріплюючого розчину з 1425 до 1660 кг/м³ товщина протифільтраційної завіси змінюється за степеневим законом від 0,01 до 0,07 м, що дозволяє диференційовано підходити до формування завіси і забезпечити задані міцнісні і гідроізоляційні властивості.

Наукові результати:

1. Обґрунтовані технологічні параметри формування протифільтраційних завіс у слабких дисперсних породах за допомогою високонапірних струменів закріплюючих розчинів, що дозволяють управляти міцнісними і фільтраційними властивостями порід, що закріплюються, які забезпечують високу ефективність створення протифільтраційної завіси.

2. Вперше встановлені закономірності глибини проникання високонапірних струменів закріплюючих розчинів у випадку, коли струминний монітор не обертається, від технологічних параметрів закріплення.

3. Встановлена нова залежність максимальної глибини проникання високонапірного струменю від швидкості підняття монітора, що забезпечить ефективні витрати закріплюючого розчину.

4. Встановлені нові залежності зміни товщини протифільтраційних завіс від густини закріплюючого розчину та дисперсної породи, тиску нагнітання закріплюючих розчинів, діаметра сопла й ударної в'язкості породи.

5. Вперше в результаті експериментальних і аналітичних досліджень встановлена закономірність створення зони чистого цементу при проникненні струменів закріплюючих розчинів у дрібнозернисті піски, що забезпечує низький коефіцієнт фільтрації формованої завіси.

6. Отримані залежності коефіцієнта фільтрації від об'єму закріплюючого розчину в породорозчинному елементі.

7. Вперше встановлені залежності коефіцієнта фільтрації і міцності породо-цементних елементів від кількості закріплюючого розчину, які дозволяють визначати раціональні параметри формування товщини протифільтраційних завіс при рішенні різноманітних гірничотехнічних завдань.

8. Виконаний аналіз різноманітних параметрів, що описують процес проникнення високонапірних струменів у дисперсну породу. За допомогою аналізу теорій розмірностей і подібності отримана критеріальна залежність, що описує процес проникнення у випадку, коли монітор не обертається .

9. Розроблені комп'ютерні програми визначення технологічних параметрів формування протифільтраційних завіс при проведенні вертикальних стволів і горизонтальних виробок неглибокого закладення, створення гідроізоляційних завіс навколо підземних камер і відстійників шкідливих речовин.

Методи дослідження

Поставлені задачі вирішувалися за комплексним методом досліджень, що включає аналіз і узагальнення літературних і патентних джерел, проведення аналітичних і експериментальних досліджень з аналізованого завдання і промисловий експеримент. В області теоретичних досліджень використовувалися теорії турбулентних струменів, розмірностей і подібності. В області експериментальних досліджень використовувалося лабораторне моделювання процесів проникнення високонапірних струменів у слабкі дисперсні породи. Оцінювання результатів досліджень проводилось за результатами промислового експерименту.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються використанням при проведенні досліджень теорій розмірностей і подібності, теорії динаміки ґрунтів, а також обсягом виконаних експериментів; збіжністю результатів теоретичних, експериментальних і натурних досліджень (розбіжність знаходиться в межах 4 - 25%).

Наукова новизна роботи полягає в такому:

1. Отримані нові закономірності глибини проникання високонапірних струменів закріплюючого розчину в дисперсну породу без обертання монітора від густини закріплюючого розчину, ударної в'язкості породи, експериментальної функції С, діаметра сопла і початкової швидкості струменя.

2. Встановлена залежність глибини проникання високонапірних струменів закріплюючих розчинів у дисперсну породу від швидкості підняття монітора, що дозволяє визначати раціональні параметри (міцність і коефіцієнт фільтрації породорозчинних елементів) процесу формування протифільтраційної завіси при рішенні різноманітних гірничотехнічних задач.

3. Отримані нові залежності коефіцієнта фільтрації і міцності від кількості закріплюючого розчину в породо-цементних елементах.

4. Внаслідок експериментальних і аналітичних досліджень встановлена закономірність утворення зони чистого цементу в дрібнозернистих пісках, яка залежить від густини розчинів і ударної в'язкості порід.

Наукове значення роботи полягає в встановленні закономірностей зміни коефіцієнта фільтрації і міцності від кількості закріплюючого розчину в породо-цементних елементах, що дозволяють визначати раціональні технологічні параметри формування протифільтраційної завіси; у розробці методики моделювання процесів струминного закріплення.

Практичне значення отриманих результатів полягає в такому:

- розроблені комп'ютерні програми з визначення технологічних параметрів формування протифільтраційних завіс при споруджені вертикальних стволів і горизонтальних виробок неглибокого закладення, створення гідроізоляційних завіс навколо підземних камер і відстійників шкідливих речовин;

- результати досліджень у вигляді проектних положень впроваджені в проекти Дніпродіпрошахт, Дніпрометропроект.

- проведені експериментальні роботи при створенні елементів протифільтраційної завіси на трасі станції відкритого закладення "Набережна ім. Леніна" Дніпропетровського метрополітену, які підтвердили обґрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій.

Практична цінність отриманих результатів полягає в розробці технології створення протифільтраційних завіс за допомогою струменів високого тиску закріпляючих розчинів, що забезпечує ефективний захист підземних виробок при рішенні різноманітних гірничотехнічних задач.

Особистий внесок автора в розробку наукових результатів, які виносяться на захист, полягає у формулюванні наукової задачі, мети, наукових положень і методик досліджень; аналізі результатів лабораторних і теоретичних досліджень; обґрунтуванні технологічних параметрів протифільтраційних завіс, що споруджуються за допомогою струменів високого тиску закріплюючих розчинів.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на Міжнародній конференції ”Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (Дніпропетровськ, 1998 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Дніпропетровськ, 1998 р.); на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ і засіданні науково-технічної ради Проблемної науково-дослідної лабораторії №1 Національної гірничої академії України.

За темою дисертації здобувачем опубліковано 6 друкованих робіт; у т. ч: статті в спеціалізованих часописах - 4; тези доповідей - 2.

Структура й обсяг дисертації

Дисертація складається з введення, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел із 90 найменувань на 10 сторінках; містить 88 сторінок машинописного тексту, 32 малюнка на 31 сторінці, 14 таблиць на 5 сторінках і додатки на 28 сторінках; загальний обсяг роботи - 162 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

протифільтраційна завіса закріпляючий розчин

У введенні обґрунтована актуальність дослідження і проведення розробок, сформульовані цілі і задачі дослідження, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані з апробації і публікації досліджень.

У першому розділі проаналізований досвід формування протифільтраційних завіс при вирішенні різноманітних гірничотехнічних задач, розглянуті природні і технологічні чинники, що впливають на ефективність створення протифільтраційних завіс. До природної групи чинників належать фізико-механічні властивості закріплюваних порід, їх обводненість, агресивність підземних вод, глибина залягання водотривкого пласта, потужність водовмісних порід, температура повітря і породи. Другою, не менш важливою групою є технологічні чинники: форма і глибина спорудження завіси, напір підземних вод, товщина і схема устрою протифільтраційної завіси. Усі ці чинники визначають ефективність використання спеціальних способів створення протифільтраційних завіс, вибір яких залежить також від глибини їх спорудження, місця розташування та економічної ефективності того або іншого способу. Основними способами створення протифільтраційних завіс є хімічні і фізико-хімічні. У розділі визначена область застосування, розглянуті позитивні сторони і недоліки цих способів. На підставі цього була обґрунтована необхідність розробки струминної технології, що дозволяє забезпечити високу якість, економічну ефективність і безпеку створення протифільтраційних завіс навколо підземних споруд - вертикальних і горизонтальних підземних виробок, підземних насосних камер, котлованів, колекторів і відстійників шкідливих речовин.

Існують два способи спорудження протифільтраційних завіс навколо гірничих виробок. Перший при проведенні виробок, другий у процесі їх експлуатації. Завіси в першому випадку повинні мати не тільки гідроізоляційні властивості, але і необхідну міцність, що забезпечує безпечне проведення гірничих робіт. У другому - досить створити завісу з низьким коефіцієнтом фільтрації.

При застосуванні першого способу використовується обертання струминного монітора, при другому монітор не обертається (=0). Струминна технологія дозволяє створювати протифільтраційні завіси в дисперсних породах за рахунок руйнації і перемішування порід високонапірними струменями закріплюючих розчинів. Після твердіння породорозчинна суміш набуває нової структури, що має нові міцнісні та фільтраційні властивості.

Оскільки струминна технологія закріплення ґрунтується на гідравлічному руйнуванні гірничих порід, був розглянутий сучасний стан досліджень у цій галузі.

Значний внесок у дослідження процесів руйнації гірських порід високонапірними струменями внесли В.К. Кулі, Д. Артінгстол, К. Моди, С. Е. Шавловський, Н.В. Дмітрієв, М.В. Хасін, Б.С. Федоров, Л. У. Петросян, Г.І. Абрамович.

Для вирішення завдань формування протифільтраційних завіс способом струминного закріплення виникла необхідність виконати комплекс досліджень, який включає: установлення закономірності зміни глибини проникнення високонапірних струменів закріплюючого розчину залежно від його щільності, ударної в'язкості породи, експериментальної функції С, діаметра сопла і початкової швидкості струменя; установлення закономірності впливу швидкості підняття монітора на глибину проникання високонапірних струменів закріплюючого розчину в дисперсну породу; установлення нових залежностей зміни товщини протифільтраційних завіс від щільності закріплюючого розчину і породи, тиску закріплюючих розчинів, діаметра сопла і швидкості підняття струминного монітора; дослідження закономірностей впливу якості і кількості закріплюючого розчину, тиску його нагнітання на тривкість і коефіцієнт фільтрації породо-цементних елементів, що дозволяють визначити раціональні параметри формування товщини протифільтраційних завіс.

У другому розділі була розглянута принципова схема проникнення високонапірних струменів у слабкій породі. Була отримана залежність часу проникання високонапірних струменів для різноманітних технологічних параметрів струминного закріплення:

, (1)

де - густина закріплюючого розчину, кг/м³; - діаметр сопла струминного монітора, м; - початкова швидкість струменя, м/с; - щільність закріплюваної породи, кг/м³; - постійна, обумовлена експериментально; - ударна в'язкість закріпленої породи, Дж/м².

Оскільки за час струминний монітор закріплює смужку висотою , то

, (2)

де - раціональна швидкість підняття струминного монітора, м/с.

Прирівнюючи (2) і (1) і вирішуючи рівняння щодо , знайдемо

. (3)

Були розглянуті різноманітні випадки відповідно до швидкості підняття струминного монітора при спорудженні протифільтраційної завіси. У випадку, якщо швидкість підняття струминного монітора , струмені закріплюючого розчину поширюються не на максимальну відстань. Якщо , то струмені поширюються на максимальну відстань і не виникає перевитрат закріплюючого розчину. Можливий також випадок . Проте це небажано, тому що виникає перевитрата закріплюючого розчину. Тоді глибина проникнення закріплюючого розчину з урахуванням швидкості підняття струминного монітора буде визначатися за формулою

. (4)

На рис. 1 поданий графік залежності глибини проникнення струменя від ударної в'язкості породи і щільності закріплюючого розчину, побудований за формулою (4) для випадку тиску нагнітання Па.

Умовно графік можна розділити на три зони: перша відповідає піскам (глибина проникнення закріплюючого розчину найбільша і знаходиться в межах від 0,8 до 0,4 м); друга - лесовим породам (глибина проникнення змінюється від 0,4 до 0,25 м); найменшою є глибина проникнення в глинистих породах (третя зона), що змінюється в межах від 0,25 до 0,2 м.

Одним з основних параметрів, що характеризують протифільтраційну завісу, є її товщина. Залежність зростання товщини струменя виражається співвідношенням

, (5)

де - тангенс кута нахилу до ; - половина товщини (радіус) струменів у даному перетині ділянки; - координатна вісь.

У нашому випадку

, (6)

де - діаметр скважини, м.

Підставляючи (6) у (5), одержимо

. (7)

Оскільки півтовщина протифільтраційної завіси, то її товщина буде визначатися як

. (8)

Результати досліджень стали основою для розробки програм розрахунку ПЕОМ у МАТНСАD-7 основних технологічних параметрів (товщина протифільтраційної завіси, глибина проникання, швидкість підняття струминного монітора).

У третьому розділі викладені методика і результати досліджень зміни міцності закріплених зразків у часі від густини цементних розчинів і коефіцієнта фільтрації від густини закріплюючого розчину для різних типів порід.

Дослідження зі створення елементів протифільтраційних завіс із використанням струминного закріплення виконувалися з трьома типами порід: із дрібнозернистим піском ударною в'язкістю =32 Дж/м², лесом ( =447 Дж/м²) і глиною ( =607 Дж/м²).

Для досліджень була створена лабораторна установка на базі бурової установки УРБ-12/25С, що дозволяє моделювати процес формування елемента протифільтраційної завіси. Як закріплюючий розчин використовували цементну суспензію різної густини. Подачу закріплюючого розчину здійснювали під тиском до 0,4 МПа через сопла діаметром 4,5 мм.

У результаті проведених експериментальних досліджень було встановлено, що:

- залежність між товщиною завіси і швидкістю підняття монітора має параболічний вигляд;

- збільшення густини закріплюючого розчину призводить до збільшення довжини елемента завіси.

Оскільки одним з основних параметрів, що характеризують протифільтраційну завісу, є її товщина, то було проведене обґрунтування залежності товщини завіси від технологічних параметрів струминного закріплення. При цьому зміну товщини протифільтраційної завіси можна описати такою параметричною залежністю:

. (9)

На підставі теорії розмірностей і подібності була отримана з (9) критеріальна залежність цього процесу. Як незалежні параметри взяті такі: діаметр сопла - , швидкість підняття монітора - , щільність закріплюючого розчину - . Тоді критеріальна залежність набуває вигляду

. (10)

Після перетворень формули отримана функціональна залежність, що описує цей процес:

. (11)

Критерій показує співвідношення щільності дисперсної породи, що руйнується, і речовини струменя. Критерій описує співвідношення сил опору породи до сил інерції. Критерій описує співвідношення сил тиску і кінетичної енергії струменя закріплюючого розчину.

Тоді товщину протифільтраційної завіси можна визначити за формулою

, (12)

де , ,, - коефіцієнти, що визначаються експериментально.

На підставі проведених досліджень у програмі MATHCAD-7 були розраховані коефіцієнти , ,,. Остаточно формула (12) набуде вигляду

. (13)

У результаті проведених експериментальних досліджень було встановлено, що в необводнених пісках збільшення густини закріплюючого розчину з 1450 до 1800 кг/м³ призводить до збільшення об'єму розчину в об'ємі закріпленої породи з 47 до 80%. Для обводнених пісків об'єм закріплюючого розчину збільшується з 20 до 60% (рис. 2).

У процесі експериментальних досліджень було встановлено, що на межі породорозчинної суміші і породи утворюється зона чистого цементу. Оскільки густина породорозчинної суміші і чистого цементу різна, то коефіцієнт фільтрації цієї зони повинен бути нижчий у 1,5-2 рази. Таким чином, це явище може бути використане для підвищення якості створюваної протифільтраційної завіси. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень була визначена залежність товщини цієї зони від технологічних параметрів закріплення:

, (14)

де - кінцева швидкість прямування струменя, м/с.

У результаті проведених досліджень була встановлена залежність коефіцієнта фільтрації протифільтраційної завіси від густини закріплюючого розчину (рис.3). При збільшенні густини закріплюючого розчину з 1350 до 1750 кг/м³ коефіцієнт фільтрації зменшився для середньозернистих пісків у 2,5 рази, дрібнозернистих пісків - у 3 рази і лесів - у 6 разів. У порівнянні з вихідним коефіцієнтом фільтрації дрібнозернистих пісків при густині закріплюючого розчину 1350 кг/м³ коефіцієнт фільтрації закріпленої породи зменшився з 5 до 0,123 м/сут. При збільшенні густини розчину до 1820 кг/м³ коефіцієнт фільтрації зменшився з 5 до 0,043 м/сут.

Четвертий розділ присвячений питанням створення протифільтраційних завіс навколо гірничих виробок. Були проведені натурні випробування елементів формування протифільтраційної завіси на установці розвідницького буріння УРБ-2А-2 на шасі ЗІЛ-131. Випробування проводилися на станції відкритого закладення " Набережна ім. Леніна" Дніпропетровського метрополітену. Завіса створювалася в пісках із Дж/м² із використанням цементної суспензії з кг/м³, що нагнітається під тиском 2,5 МПа. Швидкість підняття струминного монітора складала 0,01 м/с, діаметр сопла - 0,0045 м. Глибина проникання закріплюючого розчину становила 0,75 м, а товщина закріпленого елемента - 0,05м; тривкість закріпленої породи дорівнювала 12 МПа, коефіцієнт фільтрації - 0,005 м/сут. Розбіжність між теоретичними й експериментальними даними склала до 25%.

Була розроблена методика розрахунку протифільтраційних завіс, що включає такі етапи:

1. Аналіз гірничо-геологічних умов на місці створення завіси.

2. Проведення лабораторних досліджень тривкості та коефіцієнта фільтрації порід закріплюваної зони при струминному закріпленні.

3. Розрахунок технологічних параметрів створення протифільтраційної завіси.

4. Розрахунок висоти підземних вод і загального водопритоку після формування завіси.

5. Оптимізація технологічних параметрів за допомогою економіко-математичної моделі і визначення економічної ефективності розробленої технології.

Розроблена технологія створення протифільтраційних завіс, для реалізації якої використовувались: установка розвідувального буріння УРБ-2А-2 на шасі ЗІЛ-131, обладнана спеціальним комплектом устаткування для формування протифільтраційних завіс; цементувальний агрегат ЦА-320М, розташований на шасі автомобіля КРАЗ-256.

Докладно розглянуті питання контролю якості в процесі створення протифільтраційної завіси.

Розроблена економіко-математична модель визначення технологічних параметрів струминного закріплення. Оптимальне значення глибини проникання визначається шляхом мінімізації функції вартості. Сумарна вартість робіт із струминного закріплення при створенні тонкої протифільтраційної завіси навколо підземної виробки складається з вартості зносу доліт, буріння скважин і додаткових витрат на промивання, а також вартості закріплюючого розчину і виконання робіт.

Отже, критерій оптимальності являє собою функцію

, (15)

де - собівартість зносу доліт на 1м буріння, грн/м; - вартість буріння 1м скважини, грн/м; - додаткові витрати на промивання при буравленні 1м скважини, грн/м; - собівартість створення 1 м завіси, грн; - собівартість 1 м³ закріплюючого розчину, грн/м³.

Знос доліт залежить від фізико-механічних властивостей породи, а також від загальної довжини буріння. Довжина буріння всіх скважин визначається глибиною проникання закріплюючого розчину. Від глибини проникання залежить кількість закріплюючої речовини. Отже, критерієм оптимальності є функція параметра . Тому для одержання мінімального значення функції (15) глибина проникання змінювалася із заданим кроком для відповідних технічних параметрів установки і гірничо-геологічних умов.

Розрахунки з пошуку оптимальної глибини проникання виконані в програмі MATHCAD 7.0 для протифільтраційної завіси навколо ствола ст. Чкалова Дніпропетровського метрополітену. Очікуваний економічний ефект склав 20213,5 грн. Проектні пропозиції передані інституту Дніпродіпрошахт для впровадження.

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі дане нове вирішення актуальної наукової задачі з обґрунтування і розробки технології формування протифільтраційних завіс за допомогою високонапірних струменів закріплюючих розчинів, що полягає у встановленні закономірностей впливу швидкості підняття струминного монітора і густини закріплюючих розчинів на глибину проникання розчину, товщину завіси, її міцнісні і фільтраційні властивості, що дозволяє забезпечити зменшення матеріальних витрат і підвищити ефективність експлуатації гірничих виробок, підземних об'єктів і гідротехнічних споруд.

Найбільш важливі наукові і практичні результати дослідження, висновки і рекомендації полягають у такому:

1. Обґрунтовані технологічні параметри формування протифільтраційних завіс у слабких дисперсних породах за допомогою високонапірних струменів закріплюючих розчинів, що дозволяють управляти міцнісними і фільтраційними властивостями створюваних протифільтраційних завіс.

2. Вперше встановлені залежності глибини проникання високонапірних струменів закріплюючих розчинів у випадку, коли струминний монітор не обертається, від густини закріплюючого розчину, ударної в'язкості породи, експериментальної функції С, діаметра сопла і початкової швидкості струменю при струменевому моніторі що не обертається.

3. Встановлена нова залежність максимальної глибини проникання високонапірного струменю від швидкості підняття монітора, що забезпечить ефективну витрату закріплюючого розчину.

4. Встановлені нові залежності зміни товщини протифільтраційних завіс від густини закріплюючого розчину і породи, тиску нагнітання закріплюючих розчинів, діаметра сопла й ударної в'язкості породи.

5. Вперше в результаті експериментальних і аналітичних досліджень установлена закономірність утворення зони чистого цементу при прониканні струменів закріплюючого розчину в дрібнозернисті піски, що забезпечує низький коефіцієнт фільтрації формованої завіси.

6. Отримані залежності коефіцієнта фільтрації від об'єму закріплюючого розчину в зразку відповідно до різноманітних порід. Встановлена залежність об'єму закріплюючого розчину в породі від технологічних параметрів струминної технології.

7. Вперше встановлені залежності коефіцієнта фільтрації і міцності породо-цементних елементів від кількості закріплюючого розчину, які дозволяють визначати раціональні параметри формування товщини протифільтраційних завіс при рішенні різноманітних гірничотехнічних завдань.

8. Виконано аналіз різноманітних параметрів, що описують процес проникання високонапірних струменів у дисперсну породу. За допомогою аналізу теорії розмірностей і подібності отримана критеріальна залежність, що описує процес проникання за умови, що монітор не обертається.

9. Розроблені комп'ютерні програми з визначення технологічних параметрів формування протифільтраційних завіс при проведенні вертикальних стволів і горизонтальних виробок неглибокого закладення, створення гідроізоляційних завіс навколо підземних камер і відстійників шкідливих речовин.

10. Розроблена економіко-математична модель визначення глибини проникання високонапірних струменів закріплюючих розчинів при формуванні протифільтраційної завіси.

11. Результати досліджень у вигляді проектних пропозицій впроваджені в проекти інститутів Дніпродіпрошахт, Дніпрометропроект.

12. Проведені експериментальні роботи зі створення елементів завіси на трасі станції відкритого закладення "Набережна ім. Леніна" Дніпропетровського метрополітену, що підтверджують обґрунтованість і достовірність результатів висновків і рекомендацій.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Владыко А.Б. Определение технологических параметров струйного закрепления пород при сооружении противофильтрационных завес. // Наук. вісн. НГАУ. - Д.: НГА України. - 1999.- №6.- С.11-12.

2. Власов С.Ф., Владыко А.Б. Определение толщины противофильтрационной завесы, создаваемой с помощью струйной технологии закрепления. // Наук. вісн. НГАУ. - Д.: НГА України. - 2000. - №1. - С. 8 - 10.

3. Владыко А.Б. Коррозионная устойчивость гидроизоляционных защитных сооружений при освоении подземного пространства. // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Д.: НГА Украины. - 1999. - №6. - Т. 4. - С. 13 - 15.

4. Власов С.Ф., Ткачук С.В., Владыко А.Б. Экспериментальные исследования и теоретический расчет процесса насыщения дисперсных пород закрепляющим раствором при струйной технологии. // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Д.: НГА Украины. - 1998. - №1. - С. 137 - 142.

5. Власов С.Ф., Владыко А.Б., Устивицкий О.А. Технология струйного закрепления дисперсных пород при сооружении шахтных стволов. // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Д.: НГА Украины. - 1998. - №3. - Т. 3. - С. 108 - 112.

6. Власов С.Ф., Тимченко С.Е., Владыко А.Б. Влияние электромагнитных полей на прочностные свойства закрепляемых пород вокруг горных выработок. // Сб. науч. тр. Национальной горной академии Украины. - Д.: НГА Украины. - 1998. - №3. - Т. 3. - С. 112 - 114.

АНОТАЦІЯ

Владико А.Б. Обґрунтування технології створення протифільтраційних завіс струменями високого тиску закріплюючих розчинів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - “Механіка ґрунтів і гірських порід". Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000 р.

Дисертація присвячена питанням створення протифільтраційних завіс навколо підземних виробок неглибокого закладення, підземних споруд і відстійників шкідливих речовин. На базі теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовані технологічні параметри створення протифільтраційних завіс струменями високого тиску закріплюючого розчину. Установлено, що геометричні параметри і фізико-механічні властивості створюваної завіси залежать від густини закріплюючого розчину і щільності породи, що закріплюється, ударної в'язкості породи, тиску струменя закріплюючого розчину, діаметра сопла.

Результати дисертаційної роботи знайшли застосування при проектуванні протифільтраційних завіс навколо підземних виробок неглибокого закладення.

Ключові слова: струмінь високого тиску, протифільтраційна завіса, струминна технологія закріплення, закріплюючі розчини.

Аннотация

Владыко А.Б. Обоснование технологии создания противофильтрационных завес струями высокого давления закрепляющих растворов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "механика грунтов и горных пород". Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000 г.

Диссертация посвящена вопросам создания противофильтрационных завес вокруг подземных выработок неглубокого заложения, подземных сооружений и отстойников вредных веществ. На основании аналитических исследований установлены закономерности глубины проникания высоконапорных струй закрепляющих растворов от технологических параметров, а также зависимости скорости поднятия рабочего инструмента и максимальной глубины проникания, что позволяет избегать перерасхода закрепляющего раствора. Определена зависимость толщины завесы от технологических параметров, таких как плотность закрепляющего раствора и закрепляемой породы, давление струи, ударная вязкость и геометрические размеры сопла. Это позволяет теоретически рассчитать толщину завесы при проникании высоконапорных струй закрепляющих растворов в дисперсные породы.

Выполнен анализ различных параметров, описывающих процесс проникания высоконапорных струй в дисперсную породу. На основе теории размерностей и подобия получена критериальная зависимость, описывающая процесс проникания струи закрепляющего раствора при условии, что скорость вращения струйного монитора равна нулю.

Разработана методика моделирования создания элементов завес в дисперсной породе, позволяющая определять объемы закрепляющего раствора в дисперсной породе, от которого зависят фильтрационные и прочностные свойства завесы. В результате экспериментальных исследований установлены длина элемента и толщина завесы. На основе экспериментальных исследований установлены закономерности влияния качества и количества закрепляющего раствора и давления нагнетания на коэффициент фильтрации и прочность породо-цементных элементов. Установлены закономерности изменения коэффициента фильтрации с изменениями плотности закрепляющих растворов, что позволяет прогнозировать физико-механические свойства создаваемых завес.

В результате экспериментальных и аналитических исследований установлена закономерность образования зоны чистого цемента при проникании струи закрепляющего раствора в мелкозернистые пески, обеспечивающая низкий коэффициент фильтрации формируемой завесы.

Экспериментальные работы по созданию элементов противофильтрационных завес произведены на базе буровой УРБ-2А-2 и шасси ЗИЛ- 131, на трассе станции открытого заложения "Набережная им. Ленина" Днепропетровского метрополитена. Сходимость результатов теоретических, экспериментальных и натурных исследований высокая (расхождение находится в пределах 4 - 25%).

Созданы компьютерные программы по определению технологических параметров противофильтрационных завес при проведении вертикальных стволов неглубокого заложения. Результаты исследований в виде проектных предложений внедрены в проекты организаций Днепрогипрошахт, Днепрометропроект.

Ключевые слова: струи высокого давления, противофильтрационная завеса, струйная технология закрепления, закрепляющие растворы.

ANNOTATION

Vladyko S. Justification of know-how of creation protective veil of curtains by sprays high-pressure. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science at the specialty 05.15.09 - " Grounds and rocks mechanics ". National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is dedicated to problems of creation protective veil of curtains around of underground workings of ebb location. The technological arguments of creation of curtains by sprays high-pressure are justified on the basis of theoretical and experimental researches. The geometrical arguments and physical and mechanical characteristics of a created curtain are depend from gravity of fastening solution and fastened soil, impact elasticity of soil, stream thrust of fastening solution, geometrical size of a nozzle.

The results of this thesis are use at designing of curtains of protective veil around of underground workings.

Keywords: sprays high-pressure, a curtain of protective veil, jet know-how of anchoring, fastening solutions.

Размещено на Allbest.ru

...