Повышение эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ. Параметры и оборудование для гидроструйной цементации неустойчивых пород на основе закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями.
Аннотация к работе
К таким способам относятся: искусственное замораживание горных пород, закрепление их связывающими растворами, химическое и электрохимическое закрепление горных пород, водопонижение, а также специальные способы проходки горных выработок, например, кессонный. Сущность ГСЦ горных пород (Jet grouting) заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в породный массив и вращающейся в плоскости перпендикулярной оси предварительно пробуриваемой до проектной отметки скважины с одновременным перемещением вдоль этой оси обратным ходом до следующей проектной отметки без создания в массиве избыточного давления. Кроме того, для реализации технологии ГСЦ помимо базовой машины и насосного агрегата, требуются исследования и разработка специального оборудования, а именно буровых ставов и их элементов (гидросъемника - устройства, предназначенного для передачи высоконапорного суспензионного потока от неподвижного подводящего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны, буровых штанг и гидромонитора), а также автоматической системы управления (АСУ) процессом ГСЦ горных пород. Работа соответствует шифру специальности 05.05.06 - Горные машины, ее формуле, а также пунктам "Изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды", "Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов", "Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями" области исследования. Установлены закономерности процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструмента, а также коэффициента сцепления горных пород, обеспечивающие обоснование показателей и режимов работы буровых ставов.К числу таких специальных способов относятся: искусственное замораживание горных пород; водопонижение; закрепление горных пород связывающими растворами; химическое (силикатизация, смолизация и битумизация) и электрохимическое закрепление горных пород и др. Проведение экспериментальных исследований процесса ГСЦ горных пород, включающих: установление закономерностей влияния конструктивных и режимных параметров, а также физико-технических свойств горных пород на показатели процесса формирования закрепляемого массива горных пород при ГСЦ; Разработка и проведение экспериментальных исследований буровых ставов и их элементов для реализации технологии ГСЦ горных пород, включающих: разработку параметрического и типоразмерного рядов буровых ставов и источников высокого давления водоцементной суспензии; Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ горных пород, являются (рис.2): конструктивные: диаметр пилотной скважины , коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку , диаметр отверстия струеформируещей насадки ; В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива , скорость приращения объема закрепляемого породного массива (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород .Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной проблемы, заключающейся в обосновании параметров и создании оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород на основе установленных закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями, внедрение которого будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в горной промышленности за счет повышения эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ, что имеет важное значение для народного хозяйства страны. Разработана математическая модель процесса ГСЦ неустойчивых горных пород, позволяющая на основе выявленных закономерностей взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом, определять диаметр закрепляемого массива для различных условий. Установлено, что при взаимодействии высокоскоростных водоцементных струй с породным массивом между коэффициентом сцепления горных пород и диаметром закрепляемого массива существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции составляет 0,95). Поэтому предложено в качестве показателя физико-технических свойств породного массива, определяющего процесс ГСЦ неустойчивых горных пород, использовать коэффициент сцепления. Установлено, что при ГСЦ неустойчивых горных пород давление водоцементной суспензии, скорость перемещения буровой колонны и частота ее вращения, а также диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на диаметр закрепляемого породного массива.
План
Основное содержание работыОсновное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
Монография
1. Головин К.А. Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации: Монография / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев. - Тула, Изд-во ТУЛГУ, 2007. - 206 с.: ил.
Статьи в изданиях, включенные в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий
2. Головин К.А. Исследования насыщения высоконапорной водяной струи абразивными частицами при реализации технологии гидроабразивного разрушения горных пород / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Э. Ерухимович // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". - Тула, 1997. С.346 - 349.
3. Головин К.А. Стендовая база для изучения водоструйных технологий / К.А. Головин, В.А. Бреннер, В.В. Антипов, Ю.В. Антипов, А.Е. Пушкарев // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70-летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С.25 - 28.
4. Головин К.А. Выбор источника воды высокого давления для технологии гидроабразивного резания горных пород / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, Ю.Э. Ерухимович, М.М. Миллер // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70 - летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С.32 - 39.
5. Головин К.А. Теоретические и экспериментальные исследования проникновения высоконапорной струи в твердую среду / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.Н. Чуков, С.В. Дорофеев, В.Ю. Сладков // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70 - летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С.56 - 60.
6. Golovin K.A. "The Generalized Formula for Calculating the Depth of Hydro-Abrasive Jet Cutting" / K.A. Golovin, V.A. Brenner, A.E. Pushkarev, A.B. Zabin // Proceeding of the 5th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology. February 3-5, 1998. New Delhi, India. Allied Publishers Limited. P.261-265.
7. Golovin K.A. Simulation of Hydro-Abrasive Cutting Process / K. A. Golovin, A. E. Pushkarev, A. B. Zabin, Y.I. Yeruhimivich // Proceeding of the International Symposium on New Applications of Water Jet Technology. Oktober 19-21, 1999. Ishinomaki, Japan. Ishinomaki Senshu Universiti. P.421-425.
8. Головин К.А. Разработка параметрического ряда источников воды высокого давления для водоструйных технологий / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов // Физические проблемы взрывного разрушения массива горных пород. Сборник трудов международной конференции. - Москва, Изд-во ИПКОН РАН, 1999. С.237 - 240.
9. Golovin K.A. Water and ice technology for removing explosives from unused ammunition / K.A. Golovin, A.V. Mihaylov, V.Y. Sladkov, V. A. Brenner, A. E. Pushkarev, A.N. Chukov // Paper presented at the 15-th International Conference on Jetting Technology organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Ronneby, Sweden on 6 - 8 September 2000. P.77 - 80.
10. Golovin K.A. Measurement of noise characteristics of hydro-jet cutting tools / K. A. Golovin, V. A. Brenner, A. E. Pushkarev, A. N. Chukov, V. Y. Sladkov, Y. N. Naumov // Paper presented at the 15-th International Conference on Jetting Technology organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Ronneby, Sweden on 6 - 8 September 2000. P.277 - 282.
11. Головин К.А. Возможности формирования струй жидкости для гидрорезания твердых материалов / К.А. Головин, Е.В. Антонова, А.Е. Пушкарев, С.А. Чуков // НТО "Оборонпром". Труды научно-технической конференции "Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов". Тула, 2000. С.171 - 177.
12. Golovin K.A. Mechanoactivation of catalist masses using high-pressure equipment / K.A. Golovin, A.E. Pushkarev, M.A. Obysov, V.A. Brenner, Y.Z. Golosman // 6th Pacific Rim International Conference on Water Jetting Technology. Sydney, Australia, 11 Oktober, 2000. P.305-308.
13. Головин К.А. Основные результаты исследований процесса гидроструйного резания / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев // "Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства".2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТУЛГУ. - Тула, 2002. С.233 - 237.
14. Головин К.А. Состав высоконапорного оборудования для разрушения скальных пород гидроабразивными струями / К.А. Головин, Д.Н. Грызлов, А.Е. Пушкарев, В.В. Сафронов // "Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства".2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТУЛГУ, Тула, 2002. С.351 - 352.
15. Головин К.А. Установление влияния гидравлических параметров водоструйного инструмента на ширину следа и длину активного участка струи / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, К.В. Демин, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // "Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства".2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТУЛГУ, Тула, 2002. С.358 - 362.
16. Головин К.А. Перспективы развития гидроструйных технологий в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов, М.М. Щеголевский // Журнал "Горные машины и автоматика" №5, 2002. С.2 - 10.
17. Головин К.А. Стойкость струеформирующего инструмента при реализации технологии гидроабразивного резания горных пород / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, К.В. Демин, А.Е. Пушкарев // Труды 3-й Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна".26-27 ноября 2002 г. - Изд. ТУЛГУ, Тула, 2002. С.166 - 168.
18. Головин К.А. Установление влияния гидравлических параметров водоструйного инструмента и расстояния от струеформирующей насадки до образца на ширину следа струи / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, К.В. Демин, Г.В. Григорьев // Сборник научных трудов по материалам 4-й Всероссийской конференции "Геоинформационные технологии в решении региональных проблем". Москва - Тула, ИПП "Гриф и Ко",, 2002. С.44 - 49.
19. Головин К.А. Определение параметров гидроабразивной струи / К.А. Головин, Ю.Н. Наумов, А.В. Поляков, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // Труды 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики. Том 1. - Изд. ТУЛГУ, Тула, 2003. С.188 - 192.
20. Головин К.А. Состав комплекта оборудования для реализации технологии водоледяного разрушения горных пород / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // Ежегодная научно-практическая конференция "Неделя горняка", Московский горный университет, Москва, 2003 г. С.110-114.
21. Головин К.А. К вопросу подготовки специалистов нового поколения в области проектно-конструкторских работ / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, В.А. Романов // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 6., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2004. С.32-35.
22. Головин К.А. Стендовая база для исследования процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления / К.А. Головин, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Гірничо-електромеханічна". Випуск 99. - Донецьк: ДОННТУ, 2005. С.22-26.
23. Головин К.А. Основные закономерности гидроструйного разрушения горных пород / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Гірничо-електромеханічна". Випуск 99. - Донецьк: ДОННТУ, 2005. С 18-22.
24. Головин К.А. Оценка возможности создания гидроструйных систем сверхвысокого давления / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, В.Е. Бафталовский, Ю.Н. Наумов // Геомеханика. Разрушение горных пород: Научн. сообщ. / ННЦ ГП - ИГД им.А. А. Скочинского. - Москва, 2005. - №331. С.127 - 133.
25. Головин К.А. К вопросу о создании отечественного оборудования для возведения грунтобетонных свай / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов // Известия ВУЗОВ Северо-Кавказский регион. Научно-образовательный и прикладной журнал. Спецвыпуск "Проблемы горной электромеханики", 2005. С.14-18.
26. Golovin K. A. The results of research destruction hard rocks by extra high pressure water (статья на английском языке) / K. A. Golovin, V. A. Brenner, A. B. Gabin, A. E. Pushkarev // Paper presented at the 18-th International Conference on Water Jetting organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Gdansk, Poland, on 13 - 15 September 2006. P.153-159.
27. Головин К.А. К вопросу о струйной цементации грунтов / К.А. Головин // 2-ой международный северный социально-экологический конгресс. Труды 4-й Межрегиональной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения", 12-14 апреля 2006 г. (Филиал СПГИ (ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2006. С.33-37.
28. Головин К.А. Обзор установок горизонтального бурения (прокола) представленных на российском рынке / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОРЕЛГУ, 2006. С.189-195.
29. Головин К.А. Особенности использования горизонтального направленного бурения / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, Тарасов М.В., А.А. Рогачев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОРЕЛГУ, 2006.С. 195-200.
30. Головин К.А. Математическое моделирование процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев, В.И. Сарычев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОРЕЛГУ, 2006. С.510-520.
31. Головин К.А. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.В. Поляков // Журнал "Горные машины и автоматика" №4, 2006. С.43-45.
32. Головин К.А. Разработка буровых ставов для реализации технологии гидроструйной цементации горных пород / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.148 - 153.
33. Головин К.А. К вопросу о изучении процесса закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.153 - 156.
34. Головин К.А. Экспериментальные исследования взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев, В.И. Сарычев // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.157 - 159.
35. Головин К.А. Факторы и показатели процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.159 - 161.
36. Головин К.А. Стендовая база для изучения технологии закрепления массива неустойчивых горных пород методом ГСЦ / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.162 - 165.
37. Головин К.А. Установление критерия сопротивляемости горных пород ГСЦ обработке / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.165 - 166.
38. Головин К.А. Применение технологии закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.171 - 172.
39. Головин К.А. Разработка методики определения основных параметров процесса ГСЦ горных пород / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: "Экология и безопасность жизнедеятельности". Выпуск 8., Тула, ИПП "Гриф и Ко", 2006. С.173 - 175.
40. Головин К.А. Исследование процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород / К.А. Головин // 3-ий международный северный социально-экологический конгресс. Труды 5-й Межрегиональной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения", 11-13 апреля 2007 г. (Филиал СПГИ (ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2007. С.36-40.
41. Головин К.А. Горнопроходческие щиты: состояние вопроса и перспективы развития / К.А. Головин, А.В. Поляков, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // 3-ий международный северный социально-экологический конгресс. Труды 5-й Межрегиональной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения", 11-13 апреля 2007 г. (Филиал СПГИ (ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2007. С.40-42.
42. Головин К.А. К вопросу о создании высокомобильного оборудования для струйной цементации грунтов / К.А. Головин // Журнал Известия ВУЗОВ Северо-Кавказский регион. Перспективы развития восточного Донбасса. 2006 Приложение №.9 г. Ростов-на Дону, 2007. - С.140-144.
43. Головин К.А. Оборудование для гидроструйной цементации грунтов / К.А. Головин // Журнал "Горные машины и автоматика" №5, 2007. С.15-18.
44. Головин К.А. Способ закрепления грунта / В.А. Бреннер, К.А. Головин, Л.В. Заводчиков, Б.Н. Люлин, А.Е. Пушкарев, В.А. Шубарев // Патент РФ №2005137223/03 (041543) от 01.12.2005.