Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ІМ. М.С. ПОЛЯКОВА

УДК [622.831.24:622.235.12](043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СПОСОБІВ УТВОРЕННЯ ШПУРІВ ЗАГЛИБЛЕННЯМ ІНДЕНТОРА У ВУГІЛЬНИЙ ПЛАСТ ДЛЯ АКТИВНОГО КЕРУВАННЯ ЙОГО СТАНОМ

05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

КУРНОСОВ СЕРГІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України.

Науковий керівник:

БУЛАТ Анатолій Федорович, доктор технічних наук, професор, академік НАН України, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, директор інституту.

Офіційні опоненти:

УСАЧЕНКО Борис Миронович, доктор технічних наук, професор, Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, завідувач відділу механіки гірничих порід (м. Дніпропетровськ);

ПОЧЕПОВ Віктор Миколайович, кандидат технічних наук, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, доцент за кафедрою підземної розробки родовищ (м. Дніпропетровськ).

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин.

Захист відбудеться "4" березня 2005 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий "31" січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук В.Г. Перепелиця.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основною задачею вугільної галузі України є підвищення продуктивності праці. При цьому необхідно підтримувати належний рівень безпеки на всіх стадіях проведення робіт. Однак, ефективний видобуток вугілля обмежений складними умовами відпрацьовування пластів на великих глибинах.

Аналіз виконаних досліджень показує, що серед негативних факторів, які стримують процес вуглевидобутку, значна роль належить різним формам прояву гірського тиску і відсутності ефективних способів і засобів керування ним. Незважаючи на те, що на сьогоднішній день відомо багато технічних рішень по впливу на вугільний масив для зниження його напруженого стану, їх реалізація найчастіше обумовлена необхідністю виконання бурових робіт, проведення яких традиційними способами дуже ускладнено, особливо при відпрацьовуванні крутих пластів механізованими комплексами.

Разом з тим, у будівельній промисловості і геологорозвідці широко відомі способи утворення шпурів шляхом вдавлення в ґрунти паль і стрижнів з різними режимами силового впливу. Аналіз виконаних у цьому напрямку розробок показав, що найбільша ефективність утворення шпурів досягається при впливі рідиною на ґрунт, чи вібрацією на елемент, що заглиблюється. У гірничодобувній галузі дослідження з гідравлічного чи вібраційного впливу на масив проводилися, в основному, через раніше пробурені шпури для зниження викидонебезпечності при розкритті пластів і проходці гірничих виробок, хоча способи утворення шпурів заглибленням індентора з вібраційним чи гідравлічним впливом на вугільний пласт мають багато переваг над традиційним бурінням:

- повне виключення важкої і небезпечної ручної праці шахтарів за рахунок механізації процесу утворення шпурів;

- можливість сполучення в часі з процесом підготовки механізованого кріплення до виїмки вугілля (з пересуванням секцій кріплення);

- можливість одночасного утворення шпурів по всій довжині лави;

- процес утворення шпурів заглибленням індентора можна здійснювати з єдиного пульта керування механізованим кріпленням, що знаходиться на свіжому струмені повітря;

- при обертальному бурінні навколо шпура утворюється обмежена зона впливу на масив (порядку 3-4 діаметрів шпура), а в результаті заглиблення індентора з наступною вібраційною чи гідравлічною обробкою привибійної частини пласта радіус зони впливу збільшується до 1,0-1,5 м, що сприяє більш ефективній дегазації і розвантаженню масиву;

- на відміну від обертального чи ударно-обертального буріння, виключається заштибовка робочого інструмента при утворенні спадаючих шпурів, обумовлених регламентом при механізованій виїмці крутих вугільних пластів.

У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на обґрунтування параметрів способів утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для активного керування його станом, є актуальною науково-прикладною задачею, що має важливе значення для вуглевидобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основній науковій спрямованості ІГТМ НАН України і є складовою частиною досліджень, виконаних за участю автора по держбюджетним темам НАН України: 5.41.02/001-92 "Технологія керування станом вкрай напруженого і викидонебезпечного масиву в очисних виробках малоенергоємними впливами", затвердженої Постановою ДКНТ №12 від 4.05.92 і Наказом ДКНТ України №15 від 01.03.93, (№ Держ. реєстрації 0193U009362); № 78 "Дослідження умов і закономірностей формування чутливості гірського масиву до малоэнергоємних впливів при керуванні його станом", виконаної у відповідності з Постановою відділення механіки НАН України, протокол №15 від 19.11.92 р., (№ Держ. реєстрації 0193U033548); № 311-22/11-36-98.05 "Розробка наукових основ створення способів і засобів активного керування станом вуглепородного масиву малоэнергоємними впливами", виконаної у відповідності з Постановою відділення механіки НАН України, протокол №5 від 22.12.97 р., (№ Держ. реєстрації 0198U002905) та галузевій науково-дослідній програмі №А 219202100 "Розробити і впровадити технологію і засоби зниження викидонебезпечності вугільного пласта шляхом активного впливу на його привибійну частину" за договором з Мінвуглепромом №329-ДО(10), (№ Держ. реєстрації UА 01002474Р).

Ідея роботи полягає у використанні встановлених закономірностей взаємодії статичних і динамічних силових навантажень на індентор при утворенні шпурів у привибійній частині вугільного пласта для активного керування його станом.

Мета роботи - підвищення ефективності способів утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для активного керування його станом.

Для досягнення поставленої мети сформульовані задачі:

1. Виконати аналіз результатів досліджень в області існуючих способів утворення шпурів для активного керування привибійною частиною пласта.

2. Виконати аналітичні дослідження процесів утворення шпурів у привибійній частині вугільного пласта.

3. Виконати лабораторні дослідження процесу заглиблення індентора при різних параметрах впливу.

4. Виконати шахтні дослідження утворення шпурів у вугіллях різної міцності для активного керування станом привибійною частини пласта.

5. Виконати обґрунтування раціональних параметрів способів утворення шпурів шляхом заглиблення індентора.

Об'єкт досліджень - вугільні пласти, що відпрацьовуються механізованими комплексами.

Предмет досліджень - способи утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для активного керування його станом.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач використано комплексний метод досліджень, що включає аналіз і узагальнення теоретичних і експериментальних досягнень в даній області, моделювання на оптично активних і еквівалентних матеріалах з дотриманням фізичних та геометричних критеріїв подоби натурним умовам, аналітичні дослідження геомеханічних параметрів процесу утворення шпурів, лабораторні експерименти та шахтна перевірка основних положень, висновків і рекомендацій з дисертаційної роботи з використанням стандартних методів досліджень і апаратури.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Статичне зусилля вдавлення індентора у вугільний пласт зростає по логарифмічній залежності від збільшення глибини заглиблення, а зі збільшенням кута загострення конусного наконечника зменшуються бічні напруги і зростають лобові; заглиблення індентора статичним зусиллям здійсненне тільки в м'яке вугілля із середньою швидкістю 4М10^-3 м/с при зусиллі порядку 110 кН.

2. Ефективне утворення шпурів у м'якому вугіллі забезпечується застосуванням додатково до статичного впливу високонапірного нагнітання рідини в шпур під тиском порядку 2,0 МПа, або вібраційного впливу з радіальним щодо осі індентора напрямком коливань, збуджених відцентровим вібратором зі статичним моментом маси дебалансу порядку 2,5М10^-3 кгМм і циклічним впливом на стінки і вибій шпура з частотою 150-160 Гц.

3. При вдавленні індентора у вугілля середньої міцності і міцне ефективне застосування додатково до статичного вібраційного впливу з повздовжнім щодо осі індентора напрямком коливань, при цьому, зі зменшенням коефіцієнта асиметрії циклу навантаження на вибій шпура , зусилля вдавлення індентора зменшується, а швидкість заглиблення збільшується по параболічним залежностям, причому, раціональні параметри вдавлення досягаються при ? 0,7, що забезпечується застосуванням вібратора зі статичним моментом маси ударника в межах 0,8-1,65 кг*м і частотою вібрації 180-200 Гц.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше для обґрунтування ефективних способів утворення шпурів в очисному вибої механізованих лав виконано комплексний аналіз можливих концептуальних рішень, виходячи з вимог мінімізації енерговитрат та габаритних розмірів пристрою і підвищення швидкості заглиблення індентора при забезпеченні надійності і безпеки робіт.

2. Вперше встановлено залежності зміни міцністних характеристик вугіль, що знаходяться в об'ємно-напруженому стані, від параметрів їх навантаження.

3. Вперше встановлено, що при вібраційному з діапазоном частот до 200Гц утворенні шпурів раціональна частота на наконечнику індентора істотно залежить від умов його контакту із середовищем та напружено-деформованого стану масиву і зі збільшенням міцності вугілля зростає від 150 до 200 Гц.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей взаємодії індентора з вугільним масивом у залежності від конструктивних і технічних параметрів індентора, технології заглиблення, а також властивостей і геомеханічного стану середовища.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено новий тип наконечника, конструкція якого дозволяє водночас зі статичним вдавленням індентора нагнітати рідину у вибій шпура, завдяки чому зусилля вдавлення знижене в 1,5-2 рази.

2. Вперше для різних гірничо-геологічних умов встановлені раціональні конструктивні параметри пристрою, а також амплітуда і частота вібровпливу, що дозволило знизити зусилля і збільшити швидкість заглиблення індентора.

3. Виготовлено експериментальний зразок засобу для утворення шпурів, випробування якого на 5-ти пластах Центрального району Донбасу підтвердили результати лабораторних і аналітичних досліджень.

4. Видано вихідні технічні вимоги на розробку технічного завдання дослідно-промислового зразка.

5. Обґрунтовано конструктивні удосконалення вібраторів з радіальним і повздовжнім, щодо осі індентора, напрямками вібровпливу, які дозволили підвищити ефективність вібрації і розширити область їх раціонального застосування.

6. Розроблені та чинним порядком погоджені "Вихідні технічні вимоги на розробку експериментального зразка засобу активного впливу на привибійну частину вугільного пласта."

Реалізація розробок і рекомендацій роботи. Розроблена та чинним порядком затверджена "Методика проведення дослідно-промислової перевірки технології активного керування станом масиву шляхом безбурового утворення шпурів з наступною обробкою привибійної частини пласта."

На базі виконаних експериментальних досліджень розроблено, погоджено з головними інститутами галузі і затверджено на галузевому рівні "Технічне завдання на пристрій для безбурового утворення шпурів у привибійній частині крутих вугільних пластів, що відпрацьовуються щитовими агрегатами".

Економічний ефект від впровадження одного пристрою безбурового утворення шпурів (ПБУШ) у виробництво за весь період експлуатації складає 212,4 тис. грн. утворення шпур керування вугільний

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні наукові положення, висновки і рекомендації, програма лабораторних і натурних експериментів, розроблено методику і проаналізовано результати досліджень, обрано метод аналітичних досліджень. Автор брав безпосередню участь у підготовці експериментального устаткування, у проведенні аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень. Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені на ІІ, ХІІІ і ІІІ наукових школах по фізиці імпульсних впливів на механіку суцільних середовищ (Миколаїв, 1996, 1997 і 1999 роки відповідно), на міжнародній конференції з проблем гідромеханіки у гірничій справі і будівництві (Київ, 1996), на ІХ і Х міжнародних наукових школах по деформуванню і руйнуванню матеріалів з дефектами і динамічними явищами в гірських породах і виробках (Алушта, 1999, 2001).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 15 наукових працях, з яких 11 - у наукових фахових видавництвах, 1 патент, 3 тез доповідей, у тому числі 7 одноосібних публікацій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 136 найменувань і 2 додатків, містить 131 сторінку машинописного тексту, 35 рисунків, 18 таблиць, 24 сторінки додатків, загальний обсяг - 206 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Керуванням напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта протягом багатьох років займаються провідні наукові організації України і ближнього зарубіжжя - МДГУ, ІГС ім. Скочинського, УНДМІ, ІПКОН, ІГТМ НАНУ, НГУ, МакНДІ, ДонВУГІ, Дондіпровуглемаш, ДонНТУ, ДонФТІ та інші. У результаті розроблено велику кількість способів впливу на пласт для активного керування його станом, причому, значна їх частина реалізується через раніше пробурені шпури та свердловини. Проте, при механізованій виїмці крутих вугільних пластів технічно і технологічно неможливо здійснювати утворення необхідних за регламентом спадаючих шпурів обертальним чи ударно-обертальним бурінням. Водночас, питанню вивчення технологічних процесів заглиблення індентора у вугільний пласт, що дозволяють ефективно і безпечно утворювати шпури з подальшим їхнім використанням для активного керування станом привибійної частини, приділялося недостатньо уваги. У зв'язку з цим виникла необхідність поглибленого дослідження параметрів даного процесу.

На першому етапі аналітичних досліджень для вибору з усього розмаїття способів утворення шпурів заглибленням індентора найбільш раціональних, було використано матричний метод парних порівнянь, в основі якого лежить індексована оцінка розглянутих способів і параметрів при їхньому попарному зіставленні.

В результаті було виявлено три пріоритетних способи, у яких вдавлення індентора виконується статичним зусиллям, а опір вугільного пласта знижується вібраційним впливом на вибій шпура, подачею рідини під тиском, або обертанням наконечника індентора навколо осі.

Дані результати були враховані при розробці методик лабораторних і шахтних експериментів.

Для попередньої оцінки силових навантажень, необхідних для заглиблення індентора у вугільний пласт нами проведені аналітичні дослідження по визначенню зміни міцністних характеристик вугілля, яке знаходиться в об'ємно-напруженому стані при вібраційних навантаженнях на нього, виходячи з показників, отриманих при його одноосьовому статичному випробуванні. При цьому використовувався критерій міцності Кулона, в який було додано формули, для визначення зміни міцністних характеристик вугіль при їх динамічному і вібраційному навантаженні. Розрахунки показали, що зі зростанням частоти вібровпливу від 0 до 200 Гц граничні напруги вугілля знижуються на 30-40 %.

Дослідження впливу типу і форми наконечників на характер розподілу максимальних дотичних напружень у середовищі здійснювалося шляхом їхнього заглиблення в оптично активний матеріал (желатиногель ХС).

Встановлено (рис. 1), що:

- наконечники конусної форми (а) розподіляють максимальні дотичні напруження по бічній поверхні, тобто ущільнюють стінки шпура;

- трубчастого типу (б) крім бічних, створюють великі лобові напруги за рахунок утворення і росту ядра ущільнення;

- у наконечниках з каналами для видачі зруйнованої маси (в), канали заштибовуються, створюючи великі напруги попереду і по бічній поверхні.

На другому етапі лабораторних експериментів здійснювалося заглиблення інденторів з різними наконечниками в вуглецементні блоки з межею міцності на одноосьовий стиск 2,7-2,9 МПа, виготовлені відповідно до рекомендацій Дон ВУГІ і Донгіпровуглемаш.

Рис. 1. Розподіл максимальних дотичних напружень при заглибленні

в желатиногель: а) наконечник конусної форми; б) трубчатого типу; в) з каналами для перепускання штибу

Дослідження показали, що раціональний кут загострення наконечника знаходиться в межах 30⁰-45⁰, а при його збільшенні до 60⁰ зусилля зростає на 20 %, крім того, зусилля заглиблення росте пропорційно квадрату збільшення діаметра наконечника, а зі збільшенням глибини занурення воно зростає по логарифмічній залежності.

Дослідження процесу вдавлення індентора з нагнітанням в шпур рідини показало, що при збільшенні тиску рідини від 0,1 до 1 МПа зусилля знижується зі 100 до 75 кН при середній швидкості заглиблення 1,1·10^-2 м/с.

Характер передачі вібрації від вібратора до наконечника в залежності від технічних параметрів системи і технологічних умов досліджувався у віброметричній лабораторії "Південмаш". Контроль здійснювався за допомогою вібровимірювальної апаратури 2-го класу точності, що допускає погрішність вимірів до ±10 %.

Використовувалися два типи пневматичних вібраторів - відцентровий ВП - з радіальним щодо осі індентора напрямком коливань і вібратор ВМ - повздовжньої дії.

Експерименти з використанням вібратора ВП при різних довжинах індентора і кількості з'єднань від 2 до 6 показали, що зі збільшенням довжини сплеск амплітуди коливань відбувається на більш низьких частотах.

Для пояснення такої залежності зроблений аналітичний розрахунок, результати якого відображуються формулами:

; (1)

< <, (2)

де - власна циклічна частота коливальної системи; - модуль пружності сталі; - площа поперечного перетину індентора; - довжина індентора; - маса системи;

- власна кутова частота коливальної системи; - резонансна кутова частота коливальної системи.

На отриманому графіку (рис. 2) відслідковується тенденція зниження резонансної частоти коливальної системи від збільшення довжини індентора.

Розрахункова залежність амплітуди коливань, визначається по формулі:

, (3)

де - амплітуда коливань; - сила, яку розвиває вібратор; - кутова частота коливальної системи; - коефіцієнт затухання, що залежить від ступеня контакту наконечника з вугіллям.

Вона має характер, аналогічний експериментальній. Розходження чисельних значень до 50 % пояснюється тим, що при розрахунках не враховувався вплив різьбових сполучень.

Збільшення ступеня затиснення наконечника переміщує резонанс на більш високі частоти, у результаті чого амплітуда сили на наконечнику, в досліджуваному діапазоні частот, знижується майже на 40 %, а при розміщенні вібратора ВП поблизу затиснутого вугіллям наконечника амплітуда сили на наконечнику збільшується на 20 % у порівнянні з його розміщенням у хвостовій частині індентора.

Рис. 2. Аналітична залежність резонансної частоти коливальної системи від довжини індентора

При використанні вібратора ВМ повздовжньої дії від збільшення ступеня затиснення наконечника амплітуда сили на ньому знижується тільки на 20 %.

Для дослідження в лабораторних умовах процесу заглиблення індентора був виготовлений стенд, що враховує вимоги методу фізичного та геометричного моделювання. Заглиблення здійснювалося у вугільні блоки різної міцності, які знаходились під тиском, що відповідає різним зонам привибійної частини пласта. Масштаб складав 1:10. Вібровплив здійснювався электровібратором ЭлВП. Індентор вдавлювали статичним зусиллям, а також з додатковим вібраційним впливом з частотою 100, 150 і 200 Гц.

Встановлено, що при статичному "сухому" заглибленні індентора в м'яке вугілля максимальне зусилля склало 110 кН при середній швидкості 0,4·10^-2 м/с, у вугілля середньої і вище середньої міцності заглибити індентор виявилося неможливим.

При вібровпливі з раціональною частотою 200 Гц максимальне сумарне зусилля вдавлювання в м'яке вугілля склало 65 кН при середній швидкості 3,4·10^-2 м/с, у вугілля середньої міцності - 116 кН і 2,8·10^-2 м/с, у міцне вугілля - 202 кН і 1,5·10^-2 м/с відповідно.

На підставі виконаних аналітичних і лабораторних досліджень розроблені і затверджені ІГТМ НАН України, а також погоджені з інститутами ДонВУГІ, ДонНДІ і технічною дирекцією ВО "Орджонікідзевугілля" вихідні технічні вимоги на експериментальний зразок пристрою заглиблення індентора ПБУШ, який був виготовлений на дослідному виробництві ІГТМ НАН України.

Шахтні експерименти здійснювалися на п'ятьох пластах ЦРД. Дослідження проводилися в три етапи: заглиблення індентора статичним зусиллям, з нагнітанням рідини чи вібраційним впливом на вибій шпура.

Статичним зусиллям на задану глибину 2 м заглиблення індентора оказалося можливим тільки в м'яке вугілля (пласт m₃ - "Товстий"), зусилля при цьому досягло 130 кН при середній швидкості 0,6·10^-2 м/с.

Подача промивної рідини у вибій шпура підвищує ефективність заглиблення. При цьому, зусилля залежить від типу і форми наконечника, тиску рідини, що нагнітається, і міцності вугілля. Кращі результати показав розроблений у ІГТМ НАН України наконечник, що має кут загострення 45⁰, канали для подачі рідини і гвинтоподібні канавки для його обертання навколо осі. У подальших експериментах використовували даний наконечник.

Дослідженнями встановлено, що нагнітання рідини ефективне на м'яких вугіллях, де зусилля вдавлення при тиску рідини 2 МПа складало 60 кН, що на 60 % нижче, ніж при статичному "сухому" вдавленні, а швидкість - вище в 3-3,5 рази.

При заглибленні індентора у вугілля середньої міцності збільшення тиску рідини на 25 % знижує статичне зусилля вдавлення усього на 10 %, при цьому, воно досягає значення 200 кН.

Доведено, що використання вібратора з радіальним щодо осі індентора напрямком коливань ефективне на м'яких вугіллях. Максимальне статичне зусилля, при цьому, склало 75 кН, що на 40 % менше, ніж при статичному "сухому" вдавленні, а швидкість збільшилася в 5 разів.

Заглиблення індентора у вугілля середньої і вище середньої міцності реалізоване з застосуванням вібратора типу ВМ із повздовжнім напрямком коливань. При цьому, максимальне сумарне зусилля заглиблення у вугілля середньої міцності (пласт k₇ - "Олександрівський") склало 130-140 кН при середній швидкості 2,6·10^-2 м/с, а в міцне - (пласт L₁ - "Мазур") - 210-220 кН і 1,2·10^-2 м/с відповідно.

Раціональне співвідношення статичного і динамічного навантажень на індентор визначається коефіцієнтом асиметрії циклу навантаження на вибій шпура:

і зі зменшенням його значення сумарне зусилля вдавлення індентора знижується, а швидкість заглиблення зростає по параболічним залежностям (рис. 3).

Після заглиблення індентора здійснювалася віброобробка вугільного пласта. Оцінка ефективності обробки пласта k₇ - "Олександрівський" протягом 1,5 годин показана на рисунку 4, з якого видно, що зона віджиму збільшилася з 0,3-0,4 до 0,7 м (рис. 4, а) з підвищенням уявного питомого электроопору в 2 рази, зона опорного тиску змістилася з 2,5 до 3,5 м від устя шпура. Початкова швидкість газовиділення (рис. 4, б) зросла з 1,25 до 1,7 л/хв., а її максимум пересунувся вглиб масиву з 1,5 до 3 м. Опір вугілля різанню (рис. 4, в) знизився з 1,2 до 0,6 кН/м.

Рис. 3 Залежності сумарного зусилля (а) і швидкості (б) заглиблення індентора від коефіцієнта асиметрії циклу навантаження: 1 - м'яке вугілля; 2 - середньої міцності; 3 - міцне

Рис. 4. Зміна геомеханічного стану пласта k₇ - "Олександрівський" у результаті вібровпливу: а - уявний питомий электроопір; б - початкова швидкість газовиділення; в - опір вугілля різанню; 1 - до віброобробки; 2 - після віброобробки

Дослідами визначено, що для забезпечення повздовжньої стійкості індентора і зниження втрат сили вібрації, вібратор повинен бути з наскрізним каналом. Це дозволить установити його в безпосередній близькості від поверхні вибою. З цією метою, у носовій частині відцентрового вібратора монтується патрон, випуск якого освоєний на Дмитрівському електромеханічному заводі. Там же випускається вібратор повздовжньої дії з наскрізним каналом.

На базі вихідних технічних вимог і технологічних параметрів, з урахуванням запропонованих удосконалень, розроблене, чинним порядком погоджене і затверджене Мінвуглепромом України технічне завдання на створення промислового зразка пристрою.

У загальному виді пристрій (рис. 5, а) складається з механізму подачі 1, направляючої 2, що монтується на основі секції кріплення 3 чи на гідродомкраті качання 7, індентора з наконечником 5, гідродомкрата фіксації 6 і гідрокомутаційної апаратури. Механізм подачі складається зі станини 8, цангового гідропатрона 9, гідрозатиску 10, двох гідродомкратів подачі індентора 11. Станина являє собою направляючий жолоб по якому переміщується гідропатрон 9 з індентором 5. До станини шарнірно прикріплений гідродомкрат подачі пристрою 4 і встановлений гідрозатиск 10. Станина оснащена захоплювачами 12 для установки її на направляючій 2.

Прив'язка пристрою для утворення шпурів і обробки привибійної частини пласта до щитового агрегату АНЩ наведена на рисунку 5, б.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням апробованих методів і апаратури дослідження, комплексністю одержання, достатнім обсягом і збіжністю результатів аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень, використанням стендів центральної віброметричної лабораторії "Південмаш" і вібровимірювальної апаратури 2-го класу точності, що допускає погрішність до 10 % і дозволяє досягти розбіжності між даними аналітичних, лабораторних і шахтних досліджень не вище 20 %.



Рис. 5. Схема пристрою для утворення шпурів із прив'язкою до секції механізованого кріплення

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дане нове рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в обґрунтуванні параметрів способів утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для їхнього подальшого використання при активному керуванні станом гірського масиву, що має важливе значення для вугледобувної галузі.

Основні результати досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, зводяться до наступного:

1. Встановлено, що найбільш пріоритетним є заглиблення індентора статичним зусиллям з вібраційним чи гідравлічним впливом на вибій шпура.

2. Визначено, що вібраційний вплив на пласт з частотою порядку 200 Гц знижує граничні напруження вугілля на 30-40 %.

3. Встановлено вплив типу і форми наконечника на параметри заглиблення індентора. Визначено характер розподілу максимальних дотичних напружень у пласті навколо вибою шпура, встановлено, що зусилля вдавлення індентора знижується пропорційно квадрату зменшення діаметра наконечника, а раціональний кут його загострення знаходиться в межах 30⁰-45⁰. З ростом тиску рідини, що нагнітається в шпур, зусилля вдавлення індентора зменшується по степеневій залежності, а зі збільшенням глибини занурення - зростає по логарифмічній залежності.

4. Експериментально доведено, що при вібровпливі в радіальному щодо осі індентора напрямку коливань зі збільшенням довжини індентора резонанс коливань системи зміщується у бік більш низьких частот і при довжині 2,25 м виникає на частоті 150-160 Гц, а зі збільшенням ступеня затиснення наконечника вугіллям - у бік більш високих частот. Втрати сили, що розвивається вібратором, розміщеним у хвостовій частині індентора, складають 32 %, а при вібровпливі в повздовжньому напрямку - 11 %. При розміщенні вібратора поблизу наконечника сила вібрації на наконечнику на 22 % вище, ніж у випадку його розміщення у хвостовій частині індентора.

5. Досліджено процес заглиблення індентора у вугільні блоки різної міцності, що знаходяться під тиском, який відповідає умовам зон віджиму, спрямованої тріщинуватості й опорного тиску. Встановлено, що заглиблення статичним зусиллям можливо тільки в м'яке вугілля з максимальним навантаженням порядку 110 кН при середній швидкості 0,4·10^-2 м/с. При вібровпливі з раціональною частотою 200 Гц максимальне сумарне зусилля заглиблення в м'яке вугілля складає 65 кН при середній швидкості 3,4·10^-2 м/с, у вугілля середньої міцності - 116 кН і 2,8·10^-2 м/с, у міцне вугілля - 202 кН і 1,5·10^-2 м/с відповідно.

6. Виготовлено і пройшов приймальні випробування експериментальний зразок засобу утворення шпурів і активного впливу на привибійну частину вугільного пласта.

7. Шахтними дослідженнями на п'ятьох пластах ЦРД встановлені технічні і технологічні параметри пристрою. Доведено, що при вдавленні у м'яке вугілля доцільне використання вібрації з радіальним щодо осі індентора напрямком коливань. Максимальне статичне зусилля при цьому, в порівнянні зі статичним "сухим" заглибленням, знижується на 40 %, а середня швидкість збільшується в 5 разів і складають відповідно 75 кН і 3,2·10^-2 м/с.

Вдавлення індентора у вугілля середньої міцності і міцні варто здійснювати за допомогою вібрації з повздовжнім напрямком коливань. При цьому, для вугілля середньої міцності максимальне статичне зусилля складає 108 кН при середній швидкості 2,6·10^-2 м/с, а для міцних - 190 кН і 1,2·10^-2 м/с відповідно.

8. Експериментально доведено, що подача промивної рідини у вибій шпура під тиском 2 МПа ефективна для м'якого вугілля. При цьому максимальне зусилля вдавлення, у порівнянні зі статичним "сухим", знижується на 60 %, а швидкість збільшується в 4 рази. Найбільш раціональним є наконечник конструкції ІГТМ НАН України, розроблений за участю автора, що має загострену під кутом 45⁰ форму, гвинтоподібні канавки, що забезпечують його обертання навколо осі, а також внутрішні канали для нагнітання рідини.

9. Підібрано типи вібраторів і визначені розрахунковим шляхом їх раціональні технічні характеристики для вдавлення інденторів у вугілля різної міцності. Запропоновано конструктивне удосконалення, що передбачає наскрізний осьовий канал і два типи затискних патронів (у залежності від напрямку руху механічних коливань), що дозволяють розміщувати вібратор на інденторі в безпосередній близькості до устя шпура.

10. Розроблене за участю автора і затверджене Мінвуглепромом України технічне завдання на дослідний зразок пристрою для утворення шпурів у привибійній частині вугільних пластів.

Економічний ефект від впровадження одного пристрою у виробництво за один рік експлуатації складає 59 тис. грн., а за весь період - 212,4 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ в РОБОТАХ

1. Булат А.Ф., Курносов С. А., Пидгайный Я.М. Нетрадиционная технология инъекционной обработки горного массива для управления его напряженным состоянием. -// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1995. - № 2. - С. 53-54.

2. Курносов С. А. Кінематичні і динамічні характеристики вібратора з дебалансом // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1997. - вып. 3. - С. 152-156.

3. Булат А.Ф., Иванов В.А., Курносов С. А. Комплексный многокритериальный анализ методов выполнения шпуров в угольном пласте // Уголь Украины. - 1998. - № 3. - С. 29-31.

4. Боровский А.В., Курносов С. А., Мещанинов С. К. Влияние длины индентора на эффективность процесса безбурового образования шпуров. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999, - вып.11. - С. 357-366.

5. Курносов С.А. О поглощении энергии механических колебаний угольным массивом при безбуровом образовании шпуров. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 1999. - вып. 13. - С. 29-32.

6. Булат А.Ф., Курносов С. А. Влияние формы и типа наконечника индентора на эффективность безбурового образования скважин в углепородном массиве. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2000. - Вып. 19. - С. 3-11.

7. Курносов С.А. Определение рациональных параметров безбурового образования шпуров в выбросоопасных угольных пластах. Геотехничская механика. Межвед. сб. научн. трудов. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск. - 2000. - вып. 21. - С. 52-54.

8. Курносов С.А. Выбор рациональных параметров вибратора для вибрационно-бурового образования шпуров в угольных пластах // Геотехническая механика. - Межвед. сб. научн. трудов. ИГТМ НАН Украины, Днепропетровск. 2000. - Вып. 22. - С. 67-69.

9. Курносов С. А., Боровский А.В. Определение энергетических параметров механических устройств для вибрационно-бурового образования шпуров. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - вып. 29. - С. 56-61.

10. Гаврилов В.И., Курносов С.А. Влияние гидродинамического воздействия через буровые скважины на состояние газонасыщенного угольного пласта. // Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. тр. ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2002. - вып. 37. - С. 89-92.

11. Пат. 96041278 України, МКІ, Е 21F, 5/00 (Україна). Спосіб утворення свердловин для противикидних заходів / А.Ф. Булат, А.А. Андрєєв, С. А. Курносов (Україна). Опубл. 27.02.98. Бюл. № 1. - 4 с.

12. Курносов С.А. Изменение пластического состояния призабойной части угольного пласта при вибровоздействии. // В монографии "Научно-прикладные проблемы разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбаса". - Донецк. - "Регион", 1999. - С. 160-163.

13. Курносов С.А. Управление процессом разрушения призабойной части угольных пластов малоэнергоемкими воздействиями // Матер. Конф. "Проблемы гидродинамики в горном деле и строительстве". - Ч. 1. - К.: 1996. - С. 99-100.

14. Курносов С.А. Повышение эффективности внедрения инжектора в массив горных пород с использованием импульсных процессов. // Тез. Докл. VIII научной школы "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах", - Николаев. 1997. - С. 103.

15. Булат А.Ф., Курносов С. А., Мещанинов С. К. Управление сложнонапряженным горным массивом при его разрушении комплексным воздействием вибрационных и статических нагрузок.// Сб. научн. тр. IX международной научной школы "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках". - Алушта, 1999. - С. 20-21.

АНОТАЦІЯ

Курносов С.А. Обґрунтування параметрів способів утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для активного керування його станом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - фізичні процеси гірничого виробництва. - Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2004.

Робота присвячена дослідженням процесу утворення шпурів заглибленням індентора у вугільний пласт для їхнього подальшого використання при керуванні напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта.

Аналітичними розрахунками визначені залежності граничних напружень вугілля, що знаходиться в об'ємно-напруженому стані від параметрів і режиму його навантаження. Лабораторними і шахтними експериментами встановлені раціональні техніко-технологічні параметри пристрою для утворення шпурів у вугіллі різної міцності. На основі аналітичних і експериментальних досліджень розроблене технічне завдання на дослідний зразок пристрою для утворення шпурів у привибійній частині вугільних пластів.

Ключові слова: привибійна частина вугільного пласта, процес утворення шпурів, вібро- і гідровпливи, технічні пристрої.

АННОТАЦИЯ

Курносов С.А. Обоснование параметров способов образования шпуров внедрением индентора в угольный пласт для активного управления его состоянием. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - физические процессы горного производства. - Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2004.

Работа посвящена исследованиям процесса образования шпуров внедрением индентора в угольный пласт для их дальнейшего использования при управлении напряженно-деформированным состоянием призабойной части угольного пласта.

Выполнен анализ состояния вопроса в области существующих способов образования шпуров, который показал, что их применение затруднено заштыбовкой рабочего инструмента, особенно при отработке крутых угольных пластов механизированными комплексами. Установлено, что наиболее приоритетным является внедрение индентора статическим усилием с вибрационным или гидравлическим воздействием на забой шпура.

Определено, что вибрационное воздействие на пласт с частотой порядка 200 Гц снижает предельные напряжения углей на 20-40 %.

Установлено влияние типа и формы наконечника на параметры внедрения индентора, определен характер распределения максимальных касательных напряжений в пласте вокруг забоя шпура. Экспериментально доказано, что при вибровоздействии в радиальном относительно оси индентора направлении смещений с увеличением длины индентора резонанс колебаний системы смещается в сторону более низких частот и при длине 2,25 м возникает на частоте 150-160 Гц, а с увеличением степени зажатия наконечника углем - в сторону более высоких частот.

Исследован процесс и определены силовые параметры внедрения индентора в угольные блоки различной крепости, находящиеся под давлением, соответствующим условиям зон отжима, направленной трещиноватости и опорного давления.

Изготовлен и прошел приемочные испытания экспериментальный образец средства образования шпуров и активного воздействия на призабойную часть угольного пласта

Шахтными исследованиями на пяти пластах ЦРД установлены технические и технологические параметры устройства. Доказано, что при вдавливании в мягкие угли целесообразно использование вибрации с радиальным относительно оси индентора направлением смещения, а в угли средней крепости и крепкие - с продольным. Подача промывочной жидкости в забой шпура под давлением 2 МПа эффективна на мягких углях.

Подобраны типы вибраторов и определены расчетным путем их рациональные технические характеристики для вдавливания инденторов в угли различной крепости. Предложено конструктивное усовершенствование вибраторов, предусматривающее сквозной осевой канал и два типа зажимных патронов (в зависимости от направления смещения механических колебаний), позволившее повысить эффективность вибрационного способа образования шпуров. Разработано с участием автора и утверждено Минуглепромом Украины техническое задание на опытный образец устройства для образования шпуров в призабойной части угольных пластов.

Экономический эффект от внедрения одного устройства в производство за один год эксплуатации составит 59 тыс. грн., а за весь период - 212,4 тыс. грн.

Ключевые слова: призабойная часть угольного пласта, процесс образования шпуров, вибро- и гидровоздействия, технические устройства.

ANNOTATION

S. Kurnosov. The substantiation of parameters of the boreholes formation by way of indenter insertion into a coal seam for active control of his state. Manuscript.

The thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences on specialty 05.15.11 - Physical Processes in Mining. - Institute of Geotechnical Mechanics of NAS of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2004.

This work studies the process of the borehole formation via inserted indenter in a coal seam for further boreholes using for controlling the stress - strained state of the coal seam in its bottomhole formation zone.

On the basis of analytical calculation, the author determined dependences of the ultimate stresses of coals in volumetric - stressed state upon the stressing parameters and mode. Through the lab and on-site experiments the rational technical and technological parameters were determined for a device designed for the borehole formation in the coal seams with different range of solidity. On the basis of analytical and experimental study, a technical task was designed for the pilot model of the device for the borehole formation in a coal seam in its bottomhole formation zone.

Key words: bottomhole formation zone, process of the borehole formation, vibro- and hydroeffects, technical devices.

Размещено на Allbest.ru

...