Повышение эффективности гидроструйной цементации, за счет применения импульсных струй

Головин А.С., Головин К.А., Ефремков Д.Н., Кашковский Н.В.,

Варавин П.А..

В статье рассматривается вопрос применения импульсных струй для гидроструйной цементации горных пород.

На сегодняшний день важной задачей при строительстве подземных тоннелей и разработке мест полезных ископаемых является развитие технологий, основанных на использовании высокоскоростных импульсных струй в качестве инструмента для обработки горных пород. Способность высокоскоростных импульсных струй осуществлять работу по разрушению горных пород любой крепости, относительная простота организации технологического процесса, делают данную технологию привлекательной с точки зрения реализации в конструкции исполнительных органов горных машин для выполнения операций по формированию массивов горных пород с регламентированными физико-механическими свойствами. При её реализации на струи возлагаются дополнительные функции по насыщению разрушаемого массива связывающими добавками, перемешиванию продуктов разрушения, а также высокая скорость взаимодействия при полном отсутствии на инструменте реакции со стороны забоя.

В настоящее время, как в нашей стране, так и во всем мире гидро струйная цементация (далее по тексту - ГСЦ) горных пород является наиболее прогрессивной технологией закрепления слабых и неустойчивых пород для последующей проходки горных выработок или строительства подземных сооружений; возведения противофильтрационных завес; укрепления откосов, стенок котлованов и т.д.

По сути, технология гидро струйной цементации заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, направленной на ослабление и разрушение горной породы, а также перемешивания её с абразивом в массиве без создания в нем избыточного давления [1].

Сначала (см. рис. 1) специальной буровой установкой, оборудованной для ГСЦ, бурится первичная скважина диаметром 70 - 115 мм. Отверстие бурится до определенной глубины, задаваемой проектом, с предварительным промыванием абразивным раствором под давлением, не превышающим 5 МПа. Жидкость для промывки подается сразу на рабочий инструмент. На втором этапе специальным насосом высокого давления подается водоцементный раствор под давлением 45 - 50 МПа. При подаче раствора под высоким давлением автоматически перекрывается канал орошения, и открывается канал питания струеформирующей насадки (насадок) диаметром 0,8 – 3 мм. Насадка устанавливается определенным образом, чтобы направление истекающей струи было перпендикулярно оси буровой колонны. Начинается вращение буровой колонны (с частотой 10 - 25 об/мин) и её подъем. Далее происходит разрушение и перемешивание грунта за счет кинетической энергии струи. Таким образом, формируется определенный участок закрепленной горной породы цилиндрической формы, который состоит из нового материала – породобетона [1].

Технология гидроструйной цеменации, в отличии от других технологий закрепления горного массива, имеет следующие достоинства: высокая интенсивность формирования закрепленного массива; отличительная возможность размещения оборудования ГСЦ в ограниченном пространстве горных выработок; закрепление любой исходной породы, без потери качества получаемого породобетона по критериям прочности и обводненности; небольшая динамическая нагрузка на закрепляемый массив (это преимущество дает возможность использовать ГСЦ на малых глубинах под строениями и вблизи других выработок); высокая вероятность точного расчета получаемого закрепленного горного массива (что позволяет рассчитать на этапах проектирования конечную характеристику и свойства получаемой конструкции и со всеми вытекающими экономическими и другими, затратами).

Рис. 1. Технологическая последовательность получения закрепленного массива при использования ГСЦ

а) бурение первичной скважины; б) разрушение горной породы водоцементной суспензией; в) извлечение буровой колонны их закрепленного массива

Диаметр закрепляемого массива можно рассчитать по формуле:

, (1)

Основные факторы с диапазонами их изменения влияющие на диаметр закрепляемого массива показаны в таблице 1 [1].

Исходя анализа формулы (1) ,есть несколько способов увеличения производительности ГСЦ, но это влечет такие отрицательные моменты как: увеличение расхода материала, увеличение энергоемкости процесса, увеличение габаритов инструмента, и т. д. Поэтому, на наш взгляд, альтернативным и эффективным способом повышения производительности ГСЦ, может служить внедрение импульсной струи.

Таблица 1

Основные факторы	Диапазон изменения
Давление водоцементной суспензии - P0, МПа	40 – 60
Диаметр струеформирующей насадки - d0, м	0,002 – 0,003
Скорость подъема буровой колонны - VП, м/с	0,0017 – 0,0083
Частота вращения буровой колонны - n, с^-1	0,167- 0,500
Коэффициент сцепления горных пород - Kc, МПа	0,006 – 0,064

Как показала практика и научные исследования [3], применяемые к горным машинам, разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления более эффективна по сравнению с непрерывной струей. В диапазоне рациональных значений частот пульсации скорости струи воды глубина щели, нарезаемая импульсной струей воды, в зависимости от принципа получения струи и схемы ее формирования выше, чем при использовании непрерывной струи воды на 10 - 112% при равных гидравлических и режимных параметрах. Известно [2-4] что, это объясняется тем, что действие статических нагрузок (непрерывной струи) сопровождается образованием демпферной подушки, которая возникает в результате продолжительного воздействия струи жидкости на разрушаемый объект. Демпферная подушка препятствует разрушению и способствует возникновению размыва. При повторно – переменных динамических нагрузках (пульсирующие струи) демпферная подушка не успевает образоваться и происходит интенсификация процессов щелеобразования и раскалывания, следствием которых является рост производительности. Применительно к ГСЦ данная технология повысит глубину цементации, а следовательно, эффективность работ в целом.

Таким образом, можно утверждать что перспективность применения технологии ГСЦ горных пород с использованием импульсных струй, не вызывает сомнения. Преимущества динамической струи над статической позволят гидроструйную цементацию горных пород вывести на новый качественный уровень за счет расширения области применения данной технологии, увеличения производительности и диаметра цементации.

Список использованных литературных источников

1) Бреннер В.А., Головин К.А., Пушкарев А.Е., Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации; ТулГУ, 2007.

2) Фролов В.С. Исследование гидравлических способов разрушения горных пород стационарных и перемещающихся струй // Научные сообщения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского,1975. - №134.

3) Жабин А.Б., Головин К.А., Поляков А.В. Результаты экспериментальных исследований по разрушению горных пород гидроимпульсными струями // HayKoei пращ Донецького нацюнального техшчного ушверситету. Сер1я: "Прничо- електромехашчна". - Випуск 99. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - С. 71- 77.

4) Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления.-М., «Недра» 1986.-С.143.

5) Бреннер В.А., Пушкарев А.Е., Жабин А.Б., Антипов В.В., Щеголевский М.М. О развитии водоструйной технологии //Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70-летию В.А. Бреннера. М., 1998. – С.17-24.