Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

УДК 622.267.33:622.273.218

Спеціальність: 05.15.09 - "Механіка ґрунтів та гірських порід"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат технічних наук

Обґрунтування параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення порід при магнітній обробці цементних розчинів

Тимченко Світлана Євгенівна

Дніпропетровськ - 2001

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, професор Власов Сергій Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Садовенко Іван Олександрович, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ і фундаментів Дніпропетровського державного університету залізничного транспорту України.

Провідна установа: Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки гірських порід (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "21" грудня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 із захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 21 листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

Анотації

Тимченко С.Є. "Обґрунтування параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення порід при магнітній обробці цементних розчинів". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - "Механіка ґрунтів і гірських порід". Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001 р.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення слабких дисперсних порід при магнітній обробці цементних розчинів. На базі теоретичних і експериментальних досліджень обґрунтовані раціональні параметри магнітної обробки цементних розчинів, застосовуваних у струминній технології закріплення порід. У результаті виконаних експериментів визначені раціональні параметри магнітної обробки цементних розчинів, при яких наступає оптимальна зміна їх фізико-механічних властивостей. Результати дисертаційної роботи дозволили вдосконалити технологію струминного закріплення дисперсних порід шляхом застосування активізації використовуваних розчинів на цементному базисі в магнітному полі. На цю технологію отриманий патент № 38101 А Україна, 7 Е 02D3/12. Економічний ефект від удосконалення технології струминного закріплення порід складає 27,82 грн. або 19 % на 1м 3 закріпленої породи, порівняно з використанням цієї ж технології, але без магнітної обробки закріплюючих розчинів.

Ключові слова: струмені високого тиску, магнітна обробка, струминна технологія закріплення, закріплюючі розчини.

Тимченко С.Е. "Обоснование параметров интенсификации процессов струйного закрепления пород при магнитной обработке цементных 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, 2001 г.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров интенсификации процессов струйного закрепления пород при магнитной обработке цементных растворов. В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи обоснования рациональных технологических параметров магнитной обработки цементных растворов, используемых в струйной технологии закрепления слабых пород, и предложено ее усовершенствование путем применения активизации используемых твердеющих растворов магнитным полем. В результате выполненных экспериментов определены рациональные параметры магнитной обработки цементных растворов, при которых наступает оптимальное изменение их физико-механических свойств. Доказано, что прочность на одноосное сжатие цементного камня, полученного из активированных магнитным полем растворов, при изменении индукции последнего от 0 до 0,6 Тл описывается произведением экспоненциальной и степенной зависимостей, имеющим экстремум в точке В=0,36 Тл. Впервые получено соотношение прочности закрепленных среднезернистых песков влажностью 2-27 % от прочности цементного камня, получаемого из раствора, которое с высокой степенью точности описывается экспоненциальной зависимостью. Для среднезернистых песков установлена связь количества цементного раствора в закрепленных элементах с первоначальной влажностью породы. разработаны компьютерные программы расчета коэффициента потерь давления в установке для струйного закрепления пород и технологических параметров струйного закрепления с применением активизации используемых для этого цементных растворов магнитным полем. Разработаны два способа струйного закрепления дисперсных пород с обработкой цементных растворов магнитным полем: 1)активизации растворов непосредственно в процессе закрепления пород (для получения породо-растворных конструкций переменного сечения); 2) предварительной активизации цементных растворов в магнитном поле (для получения конструкций постоянного сечения). Впервые разработана методика расчета необходимого количества цементного раствора, для закрепления с помощью струйной технологии, породного элемента заданного объема. Выполнено обоснование предполагаемого экономического эффекта при струйной технологии закрепления дисперсных пород с активизацией используемых цементных растворов магнитным полем для конкретного объекта. Он составляет 27,82 грн или 19 % на 1м 3 закрепленной породы, по сравнению с использованием этой же технологии, но без магнитной обработки закрепляющих растворов. Это достигается за счет экономии цементного раствора при сохранении требуемой прочности закрепленного элемента. Усовершенствована технология струйного закрепления путем применения активизации используемых растворов на цементном базисе в магнитном поле. На эту технологию получен патент № 38101 А Україна, 7 Е 02D3/12.

Ключевые слова: струи высокого давления, магнитная обработка, струйная технология закрепления, закрепляющие растворы.

Timchenko S. "Parameters substantiation of solidifying solution magnetic treatment for the intensification of jet rock stabilization processes ". - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in technical sciences in speciality 05.15.09 - "Ground and rocks mechanics". National mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The thesis is dedicated to problems of intensification of jet stabilization processes of soft dispersed rocks. On the basis of theoretical and experimental studies the rational parameters of cement solution magnetic treatment are substantiated. The cement solution are used in the jet technology of rock stabilization. It is determined that physical and mechanical properties of cement solution and cement stones produced from them depend on the magnetic field induction and the velocity of liquid medium in the magnetic field. The thesis results allowed to improve the technology of jet stabilization by applying the activation of the used cement solutions in the magnetic field. This technology was patented as an invention? The order № 38101 А Ukraine, 7 Е 02D3/12.

Keywords: high pressure jet, magnetic treatment, jet stabilization technology, solidifying solutions.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний економічний і соціальний розвиток України визначає її подальший рух убік Європейського Союзу, що обумовлює інтенсивний розвиток і реконструкцію великих міст країни. На жаль, великі міста України характеризуються складними гідрогеологічними умовами й особливостями рельєфу, тому для проведення в них різноманітних видів будівельних і гідротехнічних робіт необхідно застосовувати спеціальні способи закріплення. За останні двадцять років вітчизняними і зарубіжними вченими накопичений значний досвід у галузі розробки і застосування різноманітних способів закріплення порід. Проте на сьогодні найбільше відповідає європейським нормам за технологічністю, економічністю і екологічністю струминний спосіб закріплення порід. Його сутність полягає в одночасній руйнації і перемішуванні дисперсних порід із високонапірними струменями закріплюючого розчину і наступним твердінням утворених породо-розчинних структур. Основним компонентом струминної технології є закріплюючі розчини. Найбільш технологічними та екологічними є розчини на базі цементу. Очевидно, що від фізико-механічних властивостей цементних розчинів, використовуваних у струминній технології закріплення, безпосередньо залежать відповідні властивості омонолічених ними порід. Одним із способів підвищення ефективності струминного закріплення є обробка цементних розчинів магнітним полем. Це дозволяє забезпечити збільшення їх міцності у 2 - 2,5 рази або, відповідно, зменшити кількість закріплюючого розчину в породо-розчинному елементі зі збереженням його необхідної міцності. Актуальній науково-технічній задачі обгрунтування параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення порід при магнітній обробці твердіючих розчинів і присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 1998-2000 рр. (тема ГП-239 "Створення основ теорії дії фізичних полів на фізико-механічні властивості рідких речовин при їх взаємодії з реальними дисперсними породами для розрахунку оболонок, що створюються за допомогою струминної технології", реєстраційний номер 0198U005343, інвентарний номер звіту 0201U003384), згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки України № 4 "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології", відповідно до програми № 20 "Розробити і впровадити ресурсозберігаючі і екологічно чисті технології видобутку і переробки вугілля", а також координаційного плану Міністерства освіти і науки України № 39 з фундаментального напрямку "Гірничі науки" у 1998 - 2000 р.

Мета і задачі досліджень полягають в обгрунтуванні параметрів інтенсифікації процесів струминної технології закріплення порід при магнітній обробці цементних розчинів, що забезпечують підвищення економічності і технологічності виконуваних робіт.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації ставляться і вирішуються такі задачі:

Визначити раціональні параметри магнітної обробки цементних розчинів.

Установити закономірності зміни таких фізико-механічних властивостей цементних розчинів, як густина, в'язкість, час початку і кінця тужавлення, міцність на одноосьове стиснення і т.д. від параметрів їх обробки в магнітному полі. Установити закономірності впливу фізико-механічних властивостей цементних розчинів, оброблених у магнітному полі, на якість закріплення омонолічених ними дисперсних порід (кількість закріплюючого розчину в породі і міцність породо-розчинного елемента на одноосьове стиснення залежно від вихідної вологості дисперсних порід).

Розробити на ПЕОМ програми для визначення коефіцієнта втрат тиску в установці для струминного закріплення і тиску нагнітання розчину, необхідних для одержання заданого радіуса закріплюваного породо-розчинного елемента.

Удосконалити технологію струминного закріплення дисперсних порід із метою забезпечення активізації цементних розчинів магнітним полем.

Об'єкт дослідження - технологія струминного закріплення дисперсних порід із застосуванням твердіючіх цементних розчинів.

Предмет дослідження - твердіючі розчини на цементному базисі, активізовані за допомогою електромагнітного поля з метою інтенсифікації процесів струминного закріплення порід.

Ідея роботи полягає в управлінні фізико-механічними властивостями цементних розчинів шляхом обробки їх магнітним полем з метою інтенсифікації процесів струминного закріплення порід.

Методи досліджень: для досягнення мети і вирішення задач, поставлених у даній роботі, був виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, що включає аналіз і узагальнення спеціальної наукової літератури, проведення патентних, аналітичних і експериментальних досліджень та натурні випробування на промисловій установці. У сфері теоретичних досліджень розглядалися теорії: впливу електромагнітних полів на іони в розчинах, коагуляції дисперсних систем у магнітному полі, гідратації і структури води і водних систем, турбулентних струменів, розмірностей і подоби. В області експериментальних досліджень застосовувалися: лабораторні методи визначення таких фізико-механічних властивостей цементних розчинів і отриманого з них цементного каменю, як час початку і кінця тужавлення, динамічна в'язкість, густина, міцність на одноосьове стиснення, лабораторне моделювання процесів проникнення високонапірного струменя в слабкі дисперсні породи. Оброблювались експериментальні дані на ПЕОМ методами математичної статистики з використанням різноманітних регресійних моделей.

Наукові положення, що виносяться на захист:

Міцність на одноосьове стиснення цементного каменю, отриманого з активованих магнітним полем розчинів, при зміні індукції останнього від 0 до 0,6 Тл описується добутком експоненціальної і степневої залежностей, який має екстремум у точці В = 0,36 Тл, що дозволяє встановити раціональні параметри закріплення дисперсних порід високонапірними струменями цементних розчинів, активізованими магнітним полем, при вирішенні різноманітних будівельних і гірничо-технічних завдань.

Залежність міцності закріплених середньозернистих пісків вологістю 2 - 27 % від міцності цементного каменю, отриманого з активованих магнітним полем і виготовлених на омагніченій воді розчинів, є експоненціальною. Міцність закріплених омагніченими розчинами елементів зростає в 2,4 рази порівняно з породо-розчинними елементами, отриманими з цементних розчинів, не обробленими в магнітному полі.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

Уперше врахований вплив залишкової намагніченості неферромагнітної речовини на прискорення процесів коагуляції цементних розчинів, які використовуються при струминному закріпленні порід.

Уперше отримані закономірності зміни часу початку і кінця тужавлення і в'язкості цементних розчинів, а також тривкості на одноосьове стиснення і густини отриманого з них цементного каменю, від розміру індукції магнітного поля і швидкості рідкого середовища в магнітному полі. Це дозволило визначити раціональні параметри магнітної обробки цементних розчинів, застосовуваних у струминній технології закріплення дисперсних порід.

Встановлені закономірності впливу параметрів активізації в магнітному полі цементних розчинів та їх кількості в закріпленому елементі на його міцність.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються застосуванням основних положень теорії магнітної обробки водяних систем; достатнім обсягом виконаних експериментів і збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень (розбіжність теоретичних і експериментальних результатів знаходиться в межах 4 - 12 %). Проведені лабораторні випробування на промисловій установці струминного закріплення порід з обробкою використовуваних при цьому цементних розчинів магнітним полем підтверджують обґрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей впливу параметрів магнітної обробки на фізико-механічні властивості цементних розчинів; у розробці методики моделювання процесів струминного закріплення порід; у визначенні залежностей зміни міцності закріпленого елемента від параметрів активізації твердіючих розчинів магнітним полем.

Практичне значення отриманих результатів полягає в такому:

розроблений пакет комп'ютерних програм для розрахунку коефіцієнта втрат тиску в установці струминного закріплення порід і для розрахунку необхідного тиску нагнітання розчинів із метою одержання закріпленого елемента заданого діаметра, з урахуванням застосування активізації цементних розчинів магнітним полем;

- розроблена методика розрахунку необхідної кількості цементного розчину для одержання породо-розчинного елемента заданого обсягу.

Реалізація роботи в промисловості полягає у впровадженні результатів досліджень у вигляді проектних пропозицій у проекти ДВАТ Дніпродіпрошахт.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової цілі, задач, наукових положень і в розробці методики досліджень; в аналізі результатів лабораторних і теоретичних досліджень; обґрунтуванні технологічних параметрів закріплення порід струменями високого тиску з активізацією останніх магнітним полем.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладались і обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (Дніпропетровськ, 1998 р.), на 6-му міжнародному симпозіумі "Освоєння родовищ мінеральних ресурсів і підземне будівництво в складних гідрогеологічних умовах" (Росія, Бєлгород, 2001 р.), на 2-й Міжнародній науковій конференції студентів і молодих учених "Актуальні проблеми сучасної науки" (Самара, 2001 р.); на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ і засіданні науково-технічної ради Проблемної науково-дослідної лабораторії № 1 Національної гірничої академії України.

Публікації: за темою дисертації здобувачем опубліковано 11 друкованих робіт; у т. ч. статей в спеціалізованих, затверджених ВАК України журналах - 7; отримане позитивне рішення про видачу деклараційного патенту на винахід - 1, матеріалів конференцій - 3.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел із 112 найменувань на 10 сторінках і додатків; містить 112 сторінок машинописного тексту, 33 рисунки на 18 сторінках, 16 таблиць на 10 сторінках і додатки на 27 сторінках; загальний обсяг роботи - 175 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність проведення досліджень, сформульовані цілі і задачі дослідження, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

У першому розділі проаналізовані різноманітні методи інтенсифікації фізико-хімічних процесів при використанні різноманітних способів закріплення порід.

Розвиток ін'єкційних методів відбувався у трьох напрямках:

удосконалення устаткування для ін'єкційних робіт;

поліпшення фізико-хімічних властивостей ін'єктованих розчинів;

3) активізація процесів закріплення шляхом накладення на ін'єктовані розчини й зміцнюваний масив зовнішніх фізичних полів.

Удосконалювання устаткування, що застосовується в ході ін'єкційних робіт, і поліпшення фізико-хімічних властивостей ін'єктованих розчинів є темою окремих досліджень. Аналіз різноманітних методів активізації електрохімічних способів закріплення дисперсних порід, дозволяє зробити висновок, що всі вони проводилися, головним чином, у двох напрямках - вивчення впливу на якість закріплення: 1) електромагнітних полів; 2) способів подачі закріплюючих розчинів в оброблювану породу. Слід зазначити, що значний внесок у розвиток цього напрямку досліджень внесли такі відомі вчені, як Ю.Н. Бабец, В.І. Бондаренко, С.Ф. Власов, І.О. Садовенко, В.Д. Петренко, А.М. Зорін, Б.М. Усаченко, В.В. Чепелев, В.Е. Соколович, В.Г. Колесніков, В.В. Виноградов, Т.Н. Жінкін і багато інших.

Проте, незважаючи на величезний позитивний досвід електрохімічного закріплення порід, промислові випробування виявили і ряд недоліків розробленої технології: по-перше, використання електричного струму при обробці порід утруднює дотримання всіх правил техніки безпеки при проведенні робіт у складних гідрогеологічних умовах - як при роботі з поверхні, так і під землею; по-друге, ефективність закріплення частково знижується внаслідок вимивання закріплюючих розчинів з оброблюваного масиву при наявності залишкових напорів і постійної фільтрації води; по-третє, існує складність у проведенні прямого контролю за подачею і поширенням закріплюючих розчинів у міжелектродному просторі та ін. Тому виникла необхідність розробки більш технологічних і економічних способів омонолічування дисперсних порід, таких як струминне закріплення, що забезпечує необхідну якість закріплення і максимальну безпеку проведення як будівельних, так і гірничих робіт. Струминна технологія базується на використанні енергії водяного струменя для перемішування порід із твердіючим матеріалом. Високонапірний струмінь виходить із сопла під тиском до 30 - 45 МПа і може поширювати розчин в'язкого або твердіючого матеріалу на відстань до 1,2 м. Значний внесок у розвиток струминної технології внесли В.К. Кулі, Д. Артингстол, К. Моді, Я. Іосіда, Б.С. Федоров, М.М. Смородінов, В.І. Бондаренко, С.Ф. Власов, С.В. Ткачук, В.Н. Почепов, О.Б. Владико та ін.

З проведеного аналізу наукових джерел можна зробити висновок, що дослідження щодо вдосконалення устаткування для проведення робіт із струминного закріплення порід, розробка його теоретичних аспектів і вивчення та вдосконалення фізико-хімічних властивостей твердіючих розчинів, що використовуються, одержали належний розвиток. Проте такий важливий аспект, як можливість активізації процесів закріплення шляхом накладення на закріплюючий розчин зовнішніх фізичних полів, залишився цілком невивченим. У цьому плані великий інтерес становить управління властивостями твердіючих розчинів, а отже, і закріпленою ними породою, за допомогою електромагнітних полів. На сьогодні необхідну міцність захисних оболонок щонайкраще забезпечують закріплюючі розчини на базі цементу, тому що вони дешеві й екологічно чисті. Дана дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню раціональних параметрів магнітної обробки цементних розчинів для інтенсифікації процесів струминного закріплення порід.

Передумовами вивчення впливу магнітного поля на фізико-хімічні процеси, що відбуваються при струминному закріпленні слабких обводнених порід, стали проведені раніше багаточисельні дослідження в галузі магнітної обробки води і водних систем. При обґрунтуванні можливості інтенсифікації процесів струминного закріплення дисперсних порід із метою освоєння підземного простору великих міст України виникла необхідність виконати комплекс взаємозалежних досліджень, що включають: аналіз існуючих теорій структури води, теоретичні дослідження впливу магнітних полів на іонні та колоїдні домішки в рідкому середовищі; вивчення руху турбулентного потоку рідини в шорстких вигнутих трубах перемінного перетину для розрахунку коефіцієнта втрат тиску в системі установки струминного закріплення порід; вивчення впливу магнітної обробки на фізико-механічні властивості закріплюючих розчинів і закріпленої ними дисперсної породи; удосконалення технології струминного закріплення дисперсних порід і устаткування, що забезпечують дотримання норм з охорони надр і навколишнього середовища.

У другому розділі проведений аналіз теоретичних передумов можливості активізації цементних розчинів за допомогою електромагнітних полів. При проведенні теоретичних досліджень, насамперед, були розглянуті основні періоди твердіння в'яжучих і стадії кінетики їх структуроутворення. При замішуванні і твердінні цементного розчину найбільш інтенсивно відбуваються процеси розчинення, гідратації і колоїдизації мінералів цементу. Тому при дослідженні впливу електромагнітних полів на рідкі цементні розчини найбільш докладно були розглянуті фактори впливу електромагнітного поля на: структуру води; іони солей, що присутні у воді; домішки, що знаходяться у воді в колоїдному стані.

При проходженні рідкого електропровідного середовища крізь магнітні поля система відчуває комбінований електромагнітний вплив. Під впливом зовнішнього магнітного поля змінюється розподіл густини електронних хмар іонів і відбувається поляризація електронних хмар у молекулах води, отже, змінюється енергія ближньої і дальньої гідратації. Під впливом магнітного поля відбувається поляризація іонів, їх деформація і зменшення їх сольватації. Діючи на рідину, що рухається, магнітне поле, окрім того, викликає асиметрію гідратних оболонок іонів, створюючи більш сприятливі умови для утворення іонних асоціатів, що є центрами кристалізації. Отже, магнітне поле, не впливаючи на швидкість кристалізації, збільшує кількість центрів кристалізації, внаслідок чого утворюється більш дрібнокристалічна, малопориста структура з кращими міцнісними та фільтраційними властивостями.

Дія магнітних полів на структуру води пояснюється наявністю водневих зв'язків. Їх поведінка під впливом магнітного поля пояснює поведінку води і водо-дисперсних систем. Під впливом зовнішнього поля виникає Ларморова прецесія окремих оболонок і поляризація електронних хмар у молекулах і, отже, "згинання" і розриви водневих зв'язків. Таким чином, магнітне поле змінює структуру розчину, ступінь гідратації, траєкторії руху іонів, викликає асиметрію гідратних оболонок і створює умови для утворення іонних асоціатів, які є центрами кристалізації.

стосовно дії магнітних полів на колоїдні домішки, то стійкість дисперсних систем (швидкість їх коагуляції) залежить від знака і розміру сумарної енергії взаємодії, обумовленої додаванням іонно-електричної енергії відштовхування та енергії тяжіння Ван-дер-Ваальса-Лондона. Сталий потік частинок до колектора можна навести у вигляді співвідношення

, (1)

де r - відстань від центру частинки до колектора, м; De - коефіцієнт взаємної дифузії частинок; п - концентрація частинок, м-3; р - гідродинамічний опір зближенню частинок, що дорівнює відношенню сили опору до швидкості частинки, Н· с; U - енергія взаємодії частинки і колектора, Дж.

Звідси величина фактора уповільнення коагуляції (W) визначається за формулою

. (2)

Енергія впливу магнітного поля змінює величину максимальної енергії взаємодії між частинками, і повна енергія системи буде

,

а фактор уповільнення коагуляції, з урахуванням дії магнітного поля, описується рівнянням

. (3)

У результаті величина сталого потоку частинок до колектора

, , (4)

де - величина потоку без урахування дії магнітного поля.

Отже, магнітне поле прискорює процеси коагуляції приблизно на 5 - 17 %. Залишковий ефект магнітної обробки пояснюється тим, що після зняття магнітного поля процес коагуляції не припиняється.

Таким чином, магнітна обробка цементних розчинів повинна істотно змінювати фізико-механічні властивості одержуваного з них цементного каменю, а використання активізації твердіючих розчинів магнітним полем в струминній технології закріплення дисперсних порід дозволить значно підвищити якість закріплення за рахунок управління фізико-хімічними процесами твердіння породо-розчинної суміші.

У третьому розділі викладені методика і результати досліджень впливу магнітної обробки на фізико-механічні властивості цементних розчинів, обґрунтовані раціональні параметри їх магнітної обробки і досліджена якість закріплення ними дисперсних порід.

Для проведення досліджень була розроблена і виготовлена лабораторна установка на базі магнітного апарата СІМ-1. Експерименти проводились з розчинами на основі цементу марки М-400. При виготовленні розчину водоцементне співвідношення становило 1/1, при цьому його густина = 1500 кг/м 3. У ході експериментальних досліджень вивчався як вплив магнітної обробки води для підготовки цементних розчинів на їх фізико-механічні властивості, так і безпосередній вплив на них магнітної обробки ще рідкого твердіючого розчину. При проведенні експериментів змінювали: а) індукцію магнітного поля від 0 до 0,6 Тл із кроком 0,06 Тл, регулюючи силу струму в апараті від 0 до 2 А з кроком 0,2 А; б) швидкість рідкого середовища в магнітному полі, регулюючи тиск у резервуарі за допомогою компресора від 0 до 5 атм (від 0 до 500000 Па).

У результаті проведених експериментів було встановлено, що обробка в магнітному полі закріплюючих розчинів зменшує час початку тужавлення цементного тіста в середньому на 10 %, що відповідає теоретично розрахованому прискоренню процесу коагуляції. Так само було виявлено, що обробка в магнітному полі води для приготування цементного розчину і самого розчину безпосередньо призводить до прискорення процесів твердіння і зменшення часу тужавлення. Динаміка твердіння для всіх зразків добре апроксимується функцією вигляду

, (5)

де h - глибина падіння голки Віка, мм; t - час від моменту замішування, ч; A, - коефіцієнти апроксимації.

Структурна в'язкість цементних розчинів у результаті магнітної обробки зменшується: при обробці води - на 15 %, а при омагнічувані розчину - на 24 %. Міцність на одноосьове стиснення цементного каменю, отриманого з активізованих магнітним полем розчинів, при зміні індукції останнього від 0 до 0,6 Тл, для зразків, отриманих як з омагніченої води, так і з омагнічених розчинів, добре апроксимується виразом вигляду

, (6)

де В - індукція магнітного поля, Тл; 0 - тиск руйнації зразків при відсутності магнітної обробки, Па; k, l - коефіцієнти апроксимації.

Результати цих досліджень дозволили визначити швидкість обробки рідкого середовища в магнітному полі, при яких виникають точки екстремумів динаміки тужавлення і в'язкості. Для води ця швидкість складає - 4,08 м/с, а для розчину - 1,79 м/с. Все це дозволило розробити раціональну технологію активізації закріплюючих розчинів електромагнітними полями при струминній технології закріплення порід. Аналіз фотографій, отриманих за допомогою електронного сканувального мікроскопа РЕММА 202-М, показав, що магнітна обробка впливає на форму і розмір зерен мінералів цементу. Вони стають більш округлими, а їх розмір зменшується в середньому в 3,5 - 4 рази.

Дослідження закріплених активізованими магнітним полем розчинами середньозернистих пісків показали, що магнітна обробка покращує фізико-механічні властивості закріплюючих розчинів на цементному базисі. Міцність породо-розчинного елемента, закріпленого цементними розчинами, активізованими в магнітному полі, у 2,4 рази вища, ніж при закріпленні розчинами, не обробленими в магнітному полі. У випадку маловологих середньозернистих пісків міцність породо-розчинного елемента при відсутності магнітної обробки склала 9,18 МПа, а при використанні магнітної активації цементних розчинів - 22,45 МПа, а для обводнених пісків, відповідно, 4,90 і 11,90 МПа.

Дослідження показали, що залежність міцності закріплених середньозернистих пісків, як маловологих, так і цілком обводнених, від міцності цементного каменю, одержаного з використаних для закріплення розчинів, є експоненціальною. Закріплення проводили цементними розчинами, що не піддавались магнітній обробці, виготовленими на омагніченій воді і безпосередньо активізованими в магнітному полі.

Розроблена методика з визначення кількості цементного розчину в породо-розчинних елементах. За розробленою методикою була визначена кількість цементного розчину в закріплених маловологих і обводнених середньозернистих пісках і досліджена залежність від цього міцності породо-розчинних елементів на одноосьове стиснення. Для середньозернистих пісків ця залежність визначається функцією у = 0, 99с+ 0,0189, що дозволяє розраховувати очікувану міцність закріплення.

Четвертий розділ присвячений удосконаленню технології струминного закріплення порід за рахунок активізації твердіючих розчинів магнітним полем. На основі теорії руху турбулентного потоку в трубопроводі був розрахований коефіцієнт втрат тиску в системі установки струминного закріплення і розроблена програма для його розрахунку.

Під час руху рідини в трубі виникає перепад тиску, при розгляданні якого звичайно вводять безрозмірний коефіцієнт опору руху л, так що

, (7)

де p1 - p2 - перепад тиску в трубі, Па; l - довжина труби, м; d - діаметр труби, м; u0 - швидкість рідини в трубі, м/с; с - густота рідини, кг/м 3.

Тоді рівняння середньої швидкості з урахуванням шорсткості труби набуває вигляду

, (8)

де h - висота виступів шорсткості, м.

Коефіцієнт опору л для шорсткої поверхні буде мати вигляд

. (9)

Окрім утрат тиску, що виникають у системі через рух рідини в трубі з шорсткою поверхнею, варто враховувати втрати, що виникають при змінах перетину труби і напрямку потоку рідини. Відповідно до всіх розглянутих оцінок втрати кінетичної енергії струменя складають до 20 % від поточного значення при кожній зміні перетину і повороту трубопроводу. У використовуваній установці струминного закріплення порід коефіцієнт втрат тиску може досягати 30 - 40 %, залежно від конкретних умов. Розрахунок коефіцієнта втрат тиску проводиться на ПЕОМ методом простих ітерацій за розробленою програмою на мові PASCAL.

Так само був розроблений новий спосіб струминного закріплення дисперсних порід з обробкою цементних розчинів магнітним полем. При постійному тиску нагнітання розчину у породах із різноманітними фізико-механічними властивостями утворюються закріплені елементі різноманітних розмірів. У цьому випадку активізація цементних розчинів проводиться безпосередньо в процесі закріплення порід. Проте у ряді випадків це призводить до перевитрат закріплюючого розчину і тому для його економії був розроблений інший спосіб закріплення. При цьому породо-розчинні конструкції мають постійний перетин. У цьому випадку проводиться попередня активізація цементних розчинів у магнітному полі.

На основі проведених експериментальних досліджень була розроблена методика розрахунку необхідної кількості цементного розчину. Знаючи вологість омоноліченої породи, кількість цементу в ній і геометричні розміри одержаного породо-розчинного елемента, можна розрахувати необхідну кількість розчину для проведення закріплення за формулою

,

звідки

тр-ра = тц+ = 2тц, (10)

де тц - маса цементу в закріпленому елементі, кг; тп - маса породи, кг; - маса води, кг; k - відносна кількість цементу в породі; W2 - відносна вологість породорозчинної суміші.

Також було виконане економічне обґрунтування очікуваного економічного ефекту при струминній технології закріплення дисперсних порід з активізацією використовуваних цементних розчинів магнітним полем для конкретного об'єкта. Розрахунок виконаний на прикладі спорудження захисної оболонки навколо стовбура № 14 станції "Центральна" Дніпропетровського метрополітену за технологією струминного закріплення з використанням активізації цементних розчинів магнітним полем і без неї. У результаті магнітної обробки міцність на одноосьове стиснення породо-розчинних елементів збільшувалася і для розчинів густиною 1500 кг/м 3 (В/Ц=1), підданих обробці в магнітному полі, відповідала міцності на одноосьове стиснення розчинів густиною 2000 кг/м 3 (В/Ц=0,45) без магнітної обробки. Тому при закріпленні породи з однаковою міцністю закріпленого елемента у випадку застосування магнітної обробки твердіючого розчину передбачалася відповідна економія цементу. Очікуваний економічний ефект складає 27,82 грн. або 19 % на 1мі закріпленої породи. магнітний струминний цемент розчин

Висновок

У дисертаційній роботі подане нове вирішення актуальної наукової задачі обґрунтування раціональних технологічних параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення порід і запропоноване удосконалення існуючої технології шляхом застосування активізації використовуваних твердіючих розчинів магнітним полем. Вирішення поставлених у дисертаційній роботі задач полягає у визначенні раціональних параметрів магнітної обробки і застосуванні її при закріпленні слабких дисперсних порід за допомогою високонапірних струменів цементних розчинів із метою забезпечення підвищення якості омонолічування порід при проведенні гірничих робіт, освоєнні підземного простору і створенні протифільтраційних завіс навколо підземних об'єктів і гідротехнічних споруд або з метою економії цементного розчину при збереженні міцності породо-розчинних елементів.

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

Уперше були визначені раціональні параметри магнітного обробки цементних розчинів, використовуваних у струминній технології закріплення порід при рішенні різноманітних гірничо-технічних і будівельних завдань. У результаті виконаних експериментів доведено, що доцільно піддавати магнітній обробці цементний розчин, а не воду для його замішування. раціональні параметри магнітної обробки цементних розчинів, при яких наступає оптимальна зміна їх фізико-механічних властивостей, такі індукції магнітного поля - В = 0,36 Тл, швидкість обробки рідкого середовища в магнітному полі - 1,79 м/с.

Уперше отримані закономірності зміни фізико-механічних властивостей (міцності на одноосьове стиснення і густини цементного каменю, часу початку і кінця тужавлення і в'язкості) цементних розчинів і отриманого з них цементного каменю від розміру індукції магнітного поля. Доведено, що міцність на одноосьове стиснення цементного каменю, отриманого з активованих магнітним полем розчинів, при зміні індукції останнього від 0 до 0,6 Тл описується добутком експоненціальної і степеневої залежностей, що має екстремум у точці В = 0,36 Тл і апроксимується виразом

.

Уперше отримана залежність міцності закріплених середньозернистих пісків вологістю 2 - 27 % від міцності цементного каменю, одержаного з використаного твердіючого розчину. Ця залежність із високим ступенем точності виражається експоненціальною залежністю вигляду

у = k ехр(lР 0).

Для середньозернистих пісків установлений зв'язок кількості цементного розчину в закріплених елементах із початковою вологістю породи. Залежність тривкості на одноосьове стиснення омоноліченого елемента від кількості закріплюючого розчину в ньому виражається лінійною функцією вигляду

у = 0,99 · с + 0,0189.

Розроблені комп'ютерні програми розрахунку коефіцієнта втрат тиску в установці для струминного закріплення порід і для розрахунку технологічних параметрів струминного закріплення із застосуванням активізації використовуваних цементних розчинів магнітним полем.

Розроблені два способи струминного закріплення дисперсних порід з обробкою цементних розчинів магнітним полем залежно від конкретних вимог, запропонованих до омонолічуваних елементів: 1) активізації цементних розчинів безпосередньо в процесі закріплення порід (для одержання породо-розчинних конструкцій перемінного перетину); 2) попередньої активізації цементних розчинів у магнітному полі (для одержання конструкцій постійного перетину).

Уперше розроблена методика розрахунку необхідної кількості цементного розчину для закріплення порідного елемента заданого об'єму за допомогою струминної технології. Збіжність розрахункових і експериментальних значень складає 4 %.

Виконано обґрунтування очікуваного економічного ефекту при застосуванні струминної технології закріплення дисперсних порід з активізацією використовуваних цементних розчинів магнітним полем. Ефект складає 27,82 грн або 19 % на 1м 3 закріпленої породи у порівняно з використанням цієї ж технології, але без магнітного обробки закріплюючих розчинів. Це досягається за рахунок економії цементного розчину при збереженні необхідної міцності закріпленого елемента.

Удосконалена технологія струминного закріплення дисперсних порід шляхом застосування активізації використовуваних розчинів на цементному базисі в магнітному полі. На цю технологію отриманий патент на винахід № 38101 А Україна, 7 Е 02D3/12.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах

Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Тимченко С.Е. Анализ существующих теорий о влиянии электромагнитных полей на жидкие среды // Наук. Вісн. НГА України.- 1998. - № 3.- C. 3 - 5.

Власов С.ф., Чикалов А.В., Тимченко С.Е. Экспериментальные модели аппаратов для электромагнитной обработки закрепляющих растворов при струйном закреплении дисперсных пород // Сб. науч. тр. НГА Украины. - № 6, т. 4. - Д.: РИК НГА Украины, 1998. - с.17-21.

Власов С.Ф., Тимченко С.Е. Применение уравнений магнитной гидро-динамики при исследовании влияния основных магнитных полей на закреп-ляющие растворы // Наук. Вісн. НГА України. - 1998. - № 2. - С. 14 - 17.

Власов С.ф., Чикалов А.В., Тимченко С.Е. Методы индикации магнитной обработки закрепляющих растворов при повышении устойчивости оснований стационарных установок // Гірнича електромеханіка та автоматика: наук.-техн. зб., № 2. - Д.: РИК НГА Украины, 1999. - С. 278 - 282.

Власов С.Ф., Тимченко С.Е. Влияние магнитных полей на физические свойства закрепляющих растворов при струйной технологии закрепления горных пород // Обогащение полезных ископаемых; наук.-техн. сб., № 4. - Д.: РИК НГА Украины, 1999. - С. 112-114.

Власов С.Ф., Тимченко С.Е. Влияние магнитного поля на некоторые физико-механические свойства цементных растворов используемых при струйной технологии закрепления пород // Наук. Вісн. НГА України - 2001. - № 4. - С. 5 - 7.

Власов С.Ф., Тимченко С.Е. влияние магнитной обработки на прочность цементного камня, твердеющих растворов, применяемых в струйной технологии закрепления пород // Сб. науч. тр. НГА Украины. - № 11, т. 1. - Д.: РИК НГА Украины, 2001. - С. 25 - 31.

Пат. 38101 А Украіна, 7 Е 02D3/12 Спосіб закріплення незв'язних порід / В.І. Бондаренко, С.Ф. Власов, М.О. Лубенець, С.Є. Тимченко Заявл. 29.05.00.; Опубл. 15.05.01.; Бюл. № 4, с. 4.

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

Тимченко С.Е., Лубенец Н.А. Обоснование параметров технологии струйного закрепления дисперсных пород растворами, обработанными в магнитном поле // Материалы 6-го Междунар. симпоз. "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях Белгород, Россия, ВИОГЕМ.- 2001, часть ІІ, С. 353 - 358.

11. Тимченко С.Е. технология струйного закрепления пород с активизацией закрепляющих растворов магнитным полем // Тез. докл. 2-й Междунар. науч. конф. студентов и молодых ученых "Актуальные проблемы современной науки", Самара, 2001, ч. 5, С. 65.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані у співавторстві, полягає в такому: [1] - аналіз літературних джерел, ідея і формулювання основних задач до-слідження; [2] - проведення патентних досліджень, аналіз різноманітних моделей магнітних апаратів із погляду їх застосовності до поставленої задачі; [3] - ідея, постановка задач дослідження, теоретичні дослідження; [4] - аналіз літературних джерел, аналіз різноманітних методів індикації магнітної обробки води з погляду їх застосовності до поставленої задачі; [5 - 7] - розробка методики і виконання експериментальних досліджень, аналіз результатів; [8] - проведення патентних досліджень, виконання експериментальних досліджень, аналіз результатів; [9] - теоретичні дослідження; [10] - формулювання основних задач і проведення теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз результатів.

Размещено на Allbest.ru

...