Теоретичні та прикладні основи струминного закріплення слабких дисперсних порід при веденні гірничих робіт

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

«Теоретичні та прикладні основи струминного закріплення слабких дисперсних порід при веденні гірничих робіт»

Власов Сергій Федорович

Дніпропетровськ - 1999

Вступ

Актуальність проблеми. В умовах інтенсивного розвитку мега-полісів, що перетворюються на екологічно небезпечні зони, важлива роль у рішенні загальної проблеми освоєння підземного простору великих міст України відводиться спеціальним способам закріплення слабких дисперс-них порід. Дана проблема актуальна для таких міст, як Київ, Харків, Дніпропетровськ, Одеса, Донецьк, Львів, Кривий Ріг, Запоріжжя та ін.

Слід зазначити, що великі міста України розташовані на територіях, які характеризуються складними гідрогеологічними умовами і рельєфом. Приблизно 70% із них побудовані на осадових лесових породах, рівень грунтових вод в яких щорічно підвищується в середньому на 1 м, що, у свою чергу, інтенсифікує зсувні і суфозійні процеси.

Обводнені дисперсні породи під дією різних чинників, таких як тиск, наявність глинистої фракції та ін., набувають пливунних властивостей і вимагають спеціальних способів проведення гірничих виробок; зменшують стійкість і викликають деформацію підземних споруд, значно знижують темпи будівництва, а часом зупиняють виробництво робіт внаслідок проривів порід у вироблений простір. Так, щорічно тільки при будівництві Дніпропетровського метрополітену відбуваються прориви порід у виробки при їхній проходці об'ємом до 2500 м3, що зменшує швидкість проведення тунелів до 1,5 тис. м за рік і збільшує витрати на їхню ліквідацію, які складають понад 1200000 грн. за рік. Аналогічна картина спостерігається в ході спорудження Київського і Харківського метрополітенів. У цілому в Україні різними способами закріплюється до 10 тис. м3 порід за рік.

Результати досліджень і даних практики за останні двадцять років дозволяють зробити висновок про необхідність розробки більш ефектив-них, технологічних і універсальних засобів закріплення, що забезпечують необхідну безпеку ведення гірничих робіт у дисперсних осадочних поро-дах. Ця проблема може бути ефективно вирішена за допомогою струмин-ної технології закріплення дисперсних порід. Однак керована зміна влас-тивостей цих порід при вирішенні різних гірничотехнічних завдань немож-лива без наукових знань про процес проникання високонапірного струменя в дисперсні породи і про фізико-хімічну природу міцності закріплених порід. У зв'язку з цим у дисертаційній роботі сформульована актуальна науково-прикладна проблема освоєння підземного простору великих міст України у складних гідрогеологічних умовах на основі керованої зміни властивостей дисперсних порід за допомогою струминної технології їх закріплення.

Дослідження, результати яких подані в дисертації, виконані в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України № 4 “Екологіч-но чиста енергетика і ресурсозберігаюча технологія”, відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти України і програми № 20 "Розробити і впровадити ресурсозберігаючі та економічно чисті технології видобутку й переробки вугілля", а також координаційного плану № 39 Міносвіти України за фундаментальними напрямками "Гірничі науки" у 1992-1998 рр. (теми ГП-71, ГП-186, ГП-239).

Мета роботи - теоретичне обгрунтування, розробка і практичне застосування засобів і способів струминного закріплення дисперсних порід з використанням процесу, який описується основними законами механіки суцільного середовища в рамках теорії турбулентних струменів, що забезпечують підвищення ефективності ведення гірничих робіт.

Для досягнення зазначеної цілі в дисертації ставляться і вирішуються такі завдання:

1. Розробити теорію і методи розрахунку глибини проникання високонапірного струменя в слабку дисперсну породу з урахуванням густоти закріпляючих розчинів, а також щільності й ударної в'язкості породи, що обробляється.

2. Виявити закономірності впливу фізичних (густоти закріпляючого розчину й щільності і ударної в'язкості оброблюваної дисперсної породи) і технологічних (діаметр сопла, час дії струменя, витрати закріпляючого розчину, швидкість підняття й обертання робочого інструмента) параметрів на процес проникання високонапірних струменів закріпляючих розчинів у дисперсні породи і на цій основі розробити класифікацію цих порід.

3. Установити закономірності зміни глибини проникання струменя залежно від тиску і витрати закріпляючого розчину, швидкості обертання й підняття монітору; розробити програму визначення технологічних пара-метрів струминного закріплення порід.

4. Визначити раціональні рецептури закріпляючих розчинів, що забезпечують необхідні технологічні параметри струминного закріплення зв'язних і незв'язних дисперсних порід.

5. Розробити способи струминного закріплення дисперсних порід, що забезпечують повну гідроізоляцію підземних об'єктів.

6. Розробити експериментальну установку для струминного за-кріплення дисперсних порід, що дозволяє вирішувати різні гірничотех-нічні завдання гідроізоляції підземних об'єктів з поверхні.

7. Створити і впровадити технології спорудження підземних об'єктів із використанням струминного закріплення слабких дисперсних порід, що забезпечують необоротні зміни властивостей останніх.

Основна ідея роботи полягає в руйнуванні високонапірними струменями слабких дисперсних порід із наступним формуванням нової структури за участю матеріалу струменя, що забезпечує підвищену міцність порід.

Наукові положення і результати, що захищаються, іхня новизна.

Наукові положення, що виносятся на захист:

1. Ударна в'язкість дисперсних порід із збільшенням вологості від сухого стану (W=0%) до повного водонасичення (W=25%) у зв'язних порід зменшується за гіперболічним законом з 400 до 350 Дж/м2; у незв'язних - збільшується за лінійним законом з 400 до 460 Дж/м2. Це дозволяє вибирати оптимальні параметри закріплення, виходячи із одного з головних показників - ступеня вологості породи.

2. Глибина проникання високонапірного струменя закріпляючого розчину в слабку дисперсну породу зі збільшенням ударної в'язкості породи і функції турбулентності струменя зменшується в гіперболічній залежності. У свою чергу, функція турбулентності струменя зв'язана пара-болічною залежністю із співвідношенням густоти струменів закріпляючого розчину і щільності породи. Це положення лягло в основу класифікації дисперсних порід залежно від глибини проникання в них високонапірних струменів, що дозволяє диференційовано підходити до закріплення різних порід.

Наукові результати:

1. Створена теорія розрахунку робочих параметрів струминної техно-логії закріплення слабких дисперсних порід виходячи із співвідношення густоти закріпляючого розчину й щільності оброблюваної породи, ударної в'язкості цієї породи, швидкості підняття й обертання робочого інстру-мента, витрачання і тиску закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь. Властивості породи, що закріплюється за допомогою струминної технології, які раніше розглядалися в рамках теорії динаміки грунтів, уперше були описані за допомогою теорії турбулентних струменів. Це дозволило при визначенні глибини проникання струменів у породу врахувати турбулентний характер її поширення й установити залежність зміни швидкості струменя уздовж осі його поширення.

2. Установлені граничні умови проникання високонапірного стру-меня закріпляючого розчину в слабку дисперсну породу (мінімальні енер-гія і кількість руху для зруйнування дисперсної породи), що дозволяє виз-начати кінцеву глибину поширення струменя розчину в цій породі.

3. Уперше введене поняття "ударна в'язкість" для характеристики слабких дисперсних порід. Для проведення досліджень по визначенню ударної в'язкості цих порід була розроблена спеціальна методика і ство-рена лабораторна установка, що дозволило одержати залежності значень ударної в'язкості від ступеня вологості для зв'язних і незв'язних дис-персних порід. Установлено, що ударна в'язкість у зв'язних порід при збільшенні вологості до 25% зменшується на 50-80 Дж/м2 за рахунок ослаблення поверхневих зв'язків між частками породи, а в незв'язних - зростає на 40-60 Дж/м2 за рахунок збільшення поверхневих сил у міжпоро-вому просторі дисперсної породи.

4. Розроблена класифікація слабких дисперсних порід залежно від глибини проникання в них високонапірного струменя закріпляючого роз-чину, що враховує ударну в'язкість цих порід і дозволяє робити попередній вибір способів і технологічних параметрів струминного закріплення.

5. Отримана залежність експериментальної функції - складової теорії турбулентних струменів - від співвідношення густоти двох середовищ, які перемішуються, що дозволило врахувати в теоретичних розрахунках різ-ницю між густотою струменя закріпляючого розчину і щільністью закріп-люваної породи.

6. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень різних форм і геометричних розмірів насадок, які можна застосовувати при струминній технології закріплення дисперсних порід, були обгрунтовані і визначені раціональні геометричні розміри і форми насадок, що запо- бігають виникненню явища кавітації при високих тисках і забезпечують оптимальну якість струменя.

7. Сформульована нова критеріальна залежність, що містить видо-змінений критерій Рейнольдса, критерій Фур'є і критерій, який описує співвідношення густини закріпляючого розчину й оброблюваної породи, що дозволяє розраховувати тиск нагнітання і витрати закріпляючого розчину, час дії і глибину проникання струменя для натурних умов, вихо-дячи із даних, отриманих у процесі моделювання.

8. На підставі лабораторних досліджень визначене оптимальне водо-цементне співвідношення суспензій на цементному базисі, застосовуваних для струминної технології закріплення дисперсних порід. Отримане спів-відношення забезпечує необхідну міцність закріпленої породи.

9. Установлені закономірності впливу якості і кількості закріп-ляючих розчинів на міцність породоцементних елементів, що дозволяють визначати раціональні параметри (швидкість обертання і підняття робочого інструмента, тиск і витрату закріпляючого розчину) процесу закріплення під час розв'язування різних гірничотехнічних задач.

10. Отримані нові закономірності глибини проникання високонапір-ного струменя у слабкі дисперсні породи залежно від співвідношень густи-ни закріпляючого розчину й оброблюваної породи, ударної в'язкості цієї породи, швидкостей підняття та обертання робочого інструмента, витрати і тиску струменя закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь, які дозволили розробити способи струминного закріп-лення порід, підтверджені патентами України.

Методи дослідження. У роботі здійснений комплекс теоретичних і експериментальних досліджень на основі узагальнення відомих сучасних досягнень науки і техніки із названої проблеми. У галузі теоретичних досліджень використовувалися теорії: турбулентних струменів, прикордо-нного шару, динаміки грунтів, розмірностей і подібності; методи мате-матичного моделювання, диференціальні методи рішення рівнянь гідро-механіки. У галузі експериментальних досліджень застосовувалися: лабо-раторне моделювання процесів проникання високонапірного струменя в слабкі гірські дисперсні породи, лабораторні методи визначення коефі-цієнта ударної в'язкості для слабких дисперсних порід. Експериментальні дані оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики із вико-ристанням різних регресійних моделей.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються застосуванням основ теорії і практики гірничих робіт і використанням математичних моделей, що базуються на фундаментальних положеннях теорії прикордонного шару, теорії динаміки грунтів, теорії розмірностей і подібності; узгодженістю розробленої теорії розрахунку технологічних параметрів струминного закріплення слабких дисперсних порід із фізичними уявленнями про перебіг процесів зруй-нування й перемішування породи струменями закріпляючого розчину; задовільною збіжністю результатів теоретичних, натурних і експеримен-тальних досліджень (розбіжність не перевищує 12% ); достатньою апроба-цією наукових положень і висновків роботи, успішним упровадженням результатів у практику.

Наукова новизна роботи полягає в узагальненні різних теорій тур-булентних струменів, що дозволило застосувати константу турбулентності струменя і значення товщини зони змішання струменів для розробки теорії проникання струменя; у використанні реологічних моделей дисперсних порід для створення комплексної моделі, що описує поведінку слабкої дисперсної породи при прониканні в неї високонапірного струменя; у розробці теорії проникання високонапірного струменя в дисперсні породи; у розвитку методів визначення ударної в'язкості незв'язних порід; у розробці методики моделювання процесів проникання високонапірного струменя в дисперсні породи; у встановленні закономірностей зміни міц-ності закріпленого елемента залежно від відсоткового вмісту в ньому закріпляючого розчину для зв'язних і незв'язних порід, що, у свою чергу, дозволило обгрунтувати вибір раціональних технологічних параметрів струминної технології закріплення дисперсних порід, які забезпечують підвищення ефективності ведення гірничих робіт.

Практичне значення роботи полягає в такому:

- розроблені основи керування властивостями і станом слабких дисперсних порід високонапірними струменями закріпляючих розчинів, що дозволило створити ефективні способи (патенти № 1ОЗЗЗ А; 10392 А; 15071 А; 20380 A), технологію та засоби струминного закріплення, які за-безпечують необхідну безпеку при вирішенні різних гірничотехнічних зав-дань у процесі освоєння підземного простору міст України;

- створені комп'ютерні програми по визначенню технологічних пара-метрів і раціональні схеми струминного закріплення порід для проведення вертикальних стволів і горизонтальних виробок неглибокого закладення, спорудження гідроізоляційної завіси навколо підземних камер, закріплення основ під будівлями й спорудами. Технологічні схеми погоджені інсти-тутом Дніпродіпрошахт і затверджені ДонВуГІ (1997 р.);

- розроблений, змонтований і випробуваний у полігонних умовах дослідний зразок установки по струминному закріпленню дисперсних по-рід на базі бурової УРБ-2А-2 і шасі ЗИЛ-131, що дозволяє виконувати ро-боти по закріпленню з поверхні на глибину до 30 м;

- результати досліджень у вигляді рекомендацій впроваджені в про-екти Дніпродіпрошахт, Дніпрометропроект і Метротунельбудеко. Резуль-тати досліджень пройшли технологічну апробацію у фірмі "Бауер" (Німеч-чина) при будівництві Берлінського метрополітену (1996 р.);

- проведені випробування експериментальної установки при закріп-ленні пісків на трасі станції відкритого закладення “Набережна ім. Леніна” Дніпропетровського метрополітену, що підтверджують обгрунтованість і вірогідність наукових результатів, висновків і рекомендацій.

Реалізація результатів і рекомендацій роботи.

Результати виконаних досліджень реалізовані в ряді проектних інс-титутів України.

Комп'ютерні програми визначення глибини проникнення закріпляю-чих розчинів у дисперсні породи з різними міцнісними властивостями (ударна в'язкість) залежно від тиску нагнітання цих розчинів, швидкостей обертання і підняття монітора використані під час розробки рекомендацій для складання проекту гідроізоляційних завіс в обводнених лесах із ви-користанням струминної технології закріплення при спорудженні пішохід-ного переходу на ж/м “Тополя” в Дніпропетровську (Дніпрометпроект, довідка про впровадження від 05.12.98). Спільно із Дніпрометпроектом бу-ли виконані промислові випробування експериментального зразка установ-ки струминного закріплення порід на майданчикові майбутньої станції відкритого закладення метро “Набережна ім. Леніна” в м. Дніпро-петровську (акт випробувань від 05.12.98). Результати досліджень ви-користані при розробці проектних пропозицій щодо спорудження захисної оболонки навколо ствола № 29 Харківського метро за допомогою струми-нного закріплення порід, що передані Метротунельбудеко для виконання проектних робіт (довідка про використання матеріалів докторської дисер-тації та проектні пропозиції від 10.11.98 ), проектні пропозиції щодо спорудження захисної оболонки навколо ствола типового перерізу за допо-могою струминного закріплення дисперсних порід використовуються інститутом Дніпродіпрошахт у проектах, що розробляються (довідка про використання проектних пропозицій від 21.11.98).

Декларація конкретного особистого внеску здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист, полягає у формулюванні нау-кової проблеми, мети, наукових положень і завдань досліджень; розробці теоретичних основ струминного закріплення дисперсних порід; розробці класифікації дисперсних порід; визначенні раціонального водоцементного співвідношення в цементних суспензіях; установленні закономірностей впливу якості і кількості закріпляючих розчинів на міцність породоце-ментних елементів; розробці способів, засобів і технології закріплення; упровадженні результатів досліджень.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзних наукових, науково-технічних конференціях з проблем інтенсифікації гірничорудного вироб-ництва (Апатити - 1991 р., Свердловськ - 1991 р.); на Міжнародному симпозіумі по освоєнню родовищ мінеральних ресурсів і підземного будів-ництва в складних гідрогеологічних умовах (Бєлгород - 1995 р.); на Міжна-родних науково-технічних конференціях по ресурсозбереженню й екології промислового регіону ( Дніпропетровськ - 1993 р., Макіївка - 1996 р.); на Міжнародній конференції з проблем і перспектив освоєння підземного простору великих міст України (Дніпропетровськ-1996, 1997 рр, Сімфе-рополь - 1998 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя - проблеми та перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Дніпропетровськ - 1998 р.); на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ і науково-технічній раді Проблемної науково-дослідної лабораторії №1 Національної гірничої академії України.

1. Чинники, що підтверджують доцільність освоєння підземного простору великих міст

Серед яких економічні, соціальні, технічні і природоохоронні. До останніх належать цілість ландшафту, економія землі, і в першу чергу сільгоспугідь; зниження рівня забруднення атмосфери за рахунок концентрації й очищення викидів; ведення видобутку корисних копалин з одночасним підготуванням виробіток для розміщення підземних об'єктів. Технічні чинники означають, що за рахунок освоєння підземного простору можна обмежити розріст міських територій, скоротити протяжність доріг і вулиць, інженерних комунікацій, зменшити витрати на їхню експлуатацію, раціонально організувати систему транспорту, підвищити швидкість пересування містом. Соціальні перебувають у можливості підвищити комфортність праці та знизити захворюваність завдяки відсутності різких перепадів температур, підвищити рівень захищеності устаткування і персоналу від зовнішніх несприятливих впливів; знизити втрати продукції при збереженні у стабільних температурному і вологосному режимах та ін. До економічних чинників можна віднести зниження капіталовкладень за рахунок економії матеріалів і використання гірських порід як конструкції або сировини, а також зниження експлуатаційних витрат за рахунок прибутку від використання багато-функціональних центрів.

Виконаний аналіз природних і техногенних чинників, що впливають на ефективність освоєння підземного простору міст. Природна група чин-ників включає елементи геолого-геоморфологічної будови території міст (особливості геологічного і литологічного складу порід, розчленованість і уклони рельєфу), що в сукупності визначають інтенсивність поверхневого і підземного стоку, інфільтрацію води у грунт і, отже, схильність порід до обводнювання в умовах забудови території. Наявність техногенної групи чинників обумовлена функціонуванням водогосподарчих об'єктів і водо-несучих комунікацій промислового призначення та міського господарства, інженерною організацією і благоустрієм території, осіданнями земної поверхні на ділянках, підроблюваних виробками і т. п. Всі ці чинники визначають застосування спеціальних способів зведення підземних будівель і споруд, вибір яких крім інженерно-геологічних і техногенних умов визначають глибина закладення, місце розташування, а також оснащеність будівельних організацій необхідними машинами й устаткуванням. Крім того, будівництво під незабудованою територією ведеться відкритим способом (котлованний, опускний, “стіна в грунті”), а під забудованою - закритим (гірничий і щитовий). Стіна в грунті може споруджуватися за допомогою монолітного, збірного і збірно-монолітного залізобетону або ж струминним способом. При застосуванні спеціальних способів (заморожування, хімічний, фізико-хімічний, струминний) для будівництва підземних споруд роботи можуть вестися як з поверхні (відкритий), так і із забою (закритий). Для зазначених способів виходячи з критеріїв технологічності й економічності були визначені галузі застосування, розглянуті достоїнства і недоліки, обгрунтована необхідність розробки струминної технології закріплення, що дозволяє гарантувати якість, економічну ефективність, технологічність і безпеку ведення гірничих робіт. Оскільки струминне закріплення дисперсних порід засноване на використанні високо-напірних струменів закріпляючого розчину, що руйнують і перемішують ці породи із подальшим їхнім омонолічуванням, то був розглянутий сучасний стан досліджень у цій галузі.

При обгрунтуванні застосування струминних методів закріплення дисперсних порід з метою освоєння підземного простору великих міст України виникла необхідність виконати комплекс взаємозалежних досліджень, що включають: вивчення процесу проникання струменів у породу в рамках теорії динаміки грунтів і теорії струменів; дослідження теорії струменів при розробці теоретичних основ процесу проникання високо-напірного струменя в дисперсні породи; оцінку ступеня впливу різних параметрів для одержання критеріальної залежності процесу проникання; визначення ударної в'язкості рідин і дисперсних порід, дослідження властивостей закріпляючих розчинів і розробку нових рецептур; установлення залежності впливу закріпляючих розчинів на міцносні властивості оброб-люваних порід; створення і впровадження нетрадиційних технологій закріплення дисперсних порід і устаткування, що забезпечують дотримання норм по охороні надр і навколишнього середовища.

2. Обгрунтування фізичної моделі процесу проникання високонапірного струменя в слабку породу

Для цього процес проникання вивчався в рамках механіки суцільних середовищ, що дозволило розглянути його за допомогою теорії динаміки грунтів. На підставі аналізу різних моделей напружено-деформованого стану різних середовищ дисперсна порода представляється як тугов'язкопластичне середовище. Оскільки співвідношення між тензором напружень і швидкістю деформації для цих середовищ має той же характер, що й для ньютонівських рідин, а пружна складової деформації при струминному закріпленні порід значно мала порівняно із розміром високопластичної деформації, то процес проникання високонапірного струменя в слабкі породи можна моделювати за допомогою процесу проникання рідини меншої густини в рідину більшої густини. Таким чином, виконаний аналіз теорії динаміки грунтів дозволяє зробити висновок про можливість вивчення цього процесу із погляду теорії струминних течій.

Сутність цієї теорії полягає в тому, що вона розглядає процеси, які відбуваються при прониканні потоку однієї рідини в іншу або при змішанні двох потоків, що текуть із різною швидкістю в одному або різних напрямках.

Розглядаючи схему поширення струменя рідини в слабкій дисперсній породі за умови, що сума усіх витрат у зоні руйнування повинна дорівнювати нулю, одержимо:

,

де - густина рідини, кг/м3; - швидкість руйнування породи, м/с; - вихідний радіус насадки, м; - відстань, на яку звужується основний потік, взаємодіючи із породою, м; - густина породи, кг/м3; - відстань, на яку порода втягується в прямий потік, м; - швидкість потоку рідини із породою, м/с; - поточна швидкість рідини, м/с .

Оскільки проникання в породу відбувається із великою початковою швидкістю, то в першому наближенні можна прийняти, що:

.

Тоді з рівняння одержимо:

Для визначення мінімальної швидкості, при якій можливе зруйнування породи, запишемо рівняння енергії для тих же умов.

Енергія рідини в зоні руйнування породи:

,

де S - одиниця глибини руйнування, м.

Енергія рідини з породою:

.

Енергія, необхідна для зруйнування.

де - коефіцієнт ударної в'язкості гірської породи, Дж/м2.

Виходячи з того що процес руйнування швидкоплинний, припускаємо, що він адіабатний, тобто відбувається без обміну енергією з навколишнім середовищем. Тоді можемо записати:

+ =

= .

У першому наближенні, приймаючи , одержимо:

,

де - вихідний діаметр насадки, м.

Формула описує граничні умови проникання струменя в породу. При швидкості струменя меншій проникання припиняється.

Для того щоб визначити закон зміни швидкості струменя вздовж її осі, був розглянутий ряд теорій турбулентного затопленого струменя, як-от: стара і нова теорії турбулентності Прандтля, теорія вільної турбулентності Тейлора і турбулентного перемішування Рейхарда. З аналізу цих теорій випливає, що товщина зони змішання струменя зі спутним потоком прямо пропорційна відстані, на яку поширюється струмінь:

,

де - товщина зони змішання, м; ; - початкова і кінцева швидкості на осі струменя, м/с.

Аналіз турбулентної теорії Абрамовича і рівняння сталості кількості руху в різних перетинах струменя дозволив одержати формулу залежності швидкості поширення турбулентного струменя:

.

Ця швидкість залежить від швидкості виходу струменя із сопла (), відстані від вихідного до досліджуваного перетину () і радіуса сопла (), що формує струмінь. Формула отримана для випадку, коли струмінь ріди-ни поширюється в тій самій рідині. Численні експерименти дають значення довільної функції с = 0,22. Для того щоб прийняти її для умов, коли густина речовини струменя менша за густину рідини, необхідно було досліджувати зміну функції с, провівши ряд експериментів у модельних середовищах.

3. Обгрунтування параметрів моделювання процесу проникання високонапірного струменя в слабку породу

Цей процес можна описати такою параметричною залежністю:

,

де - дальність поширення струменя, м; - діаметр насадки, м; - час дії струменя; - густина речовини струменя, кг/м3; - щільність гірської породи, що руйнується, кг/м3; - ударна в'язкість породи, Дж/м2; - витрата речовини струменя, кг/м3.

За допомогою теорії розмірностей і подібності отримана крите-ріальна залежність, що описує цей процес,

,

де - видозмінений критерій гомохронності, тобто безрозмірний час; - видозмінений критерій Рейнольдса, тобто відношення сил інерції до сил в'язкості. Критерій показує співвідношення щільності породи, що руйнується, і густини речовини струменя.

З формули випливає, що

,

де - початкова швидкість на виході із насадки, м/c; - максимальна швидкість у різних перетинах струменя, м/с.

Підставивши у формулу замість значення , одержимо вираз для визначення максимальної глибини проникання струменя:

.

Оскільки:

,

де - коефіцієнт витрати сопла, то, підставивши отримаємо:

,

або:

При досягненні процес стає сталим і незалежним від t , тому в степені нуль.

Таким чином, для визначення необхідно було обчислити й установити закон, відповідно до якого:

.

Коефіцієнт ударної в'язкості , що представляє собою співвід-ношення витраченої енергії (роботи) і площі поперечного перерізу зразка, що руйнується, уперше використаний для випадку слабких дисперсних порід. Цією узагальнюючою характеристикою описується для дисперсних порід процес подолання початкової міцності внутрішнього тертя, а для рідин - процес взаємодії між шарами внаслідок в'язкості. Для проведення досліджень по визначенню цих порід була розроблена методика і ство-рена лабораторна установка, на якій уперше були отримані залежності ударної в'язкості від ступеня вологості зв'язних і незв'язних дисперсних порід.

Було встановлено, що ударна в'язкість при збільшенні вологості до 25 % у зв'язних порід зменшується на 50-80 Дж/м2 за рахунок ослаблення поверхневих зв'язків між частками породи, а в незв'язних - зростає на 40-60 Дж/м2 за рахунок збільшення поверхневих сил у міжпоровому просторі дисперсної породи. На підставі вищевикладених досліджень розроблена класифікація порід за ступенем їхної проникності.

Коефіцієнт витрати сопла визначили експериментальним шляхом, для чого використали формули:

,

де - швидкість витікання рідини із сопла, отримана експериментально, м/с;

,

де - швидкість, отримана теоретично, м/с;

,

де Р0 - надлишковий тиск нагнітання рідини, Па; - густина рідини, кг/м3;

V - об'єм, на який збільшилася кількість рідини в моделі, м3; t - час витікання струменя, с; - діаметр насадки, м.

Встановлено, що для =15 мм =0,39; =10 мм =0,63; =0,5 мм =0,9, тобто розмір прямо пропорційний .

Внаслідок експериментальних досліджень отриманий параболічний закон зміни експериментальної функції c залежно від співвідношення густини двох середовищ , що перемішуються:

,

що дозволило врахувати в теоретичних розрахунках відмінність густини струменя закріпляючого розчину від щільності закріплюваної породи.

Рис. 1. Схема установки для визначення ударної в'язкості рідин і незв'язних порід

O - точка підвісу маятника; - маса маятника; - довжина маятника зі стрижнем, на якому він підвішений; - площа поперечного перетину рідини або породи, через яку проходить маятник; - висота заповнення ємності; - висота установки маятника; - кут відхилення маятника до удару; - кут відхилення маятника після удару;

На підставі вищевикладеного була розроблена методика перерахування експериментальних даних для умов натурного процесу. В основу методики покладений той факт, що критерії, які описують два подібних процеси, також повинні бути подібними.

Однак варто підкреслити, що дослідження виконувалися для умови, коли струмінь закріпляючого розчину проникав в слабку породу із нерухомо закріпленого сопла. При практичній роботі монітор обертається навколо своєї осі і, крім того, піднімається зі свердловини. Отже, час дії струменя в одному напрямку визначається швидкістю обертання робочого інструмента навколо своєї осі (об/с) і швидкістю підняття монітора зі свердловини (м/с).

У результаті серії експериментів установлені нові закономірності проникання високо-напірних струменів у дисперсні породи залежно від співвідношення густини закріпляючого розчину й щільності оброблюваної породи, ударної в'язкості цієї породи, швидкості підняття й обертання робочого інструмента, витрачання і тиску струменя закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь:

,

де k = 1 при , якщо час підняття робочого інструмента на висоту менше або дорівнює часу Т одного обороту робочого інструмента;

при , якщо більше часу Т одного обороту робочого інструмента.

L - смужка, що закріплюється за один оборот. Аналіз системи формул, що описують прикордонний шар струменя у зустрічному потоці, показує, що ця смужка має розміри:

;

L1 - відстань, на яку робочий пристрій піднімається за один оборот. Природно, що ця відстань є функцією від швидкості підняття робочого інструмента:

;

h - радіус закріпленої зони. У першому випадку смужка закріплюється більше одного разу і радіус закріпленої зони залежить від швидкості підняття робочого інструмента:

.

Цей випадок є небажаним, тому що веде до зайвої витрати закріпляючого розчину і збільшення часу робіт. У другому випадку L= L1 . Це означає, що кожна ділянка закріплюється тільки один раз і весь об'єм породи є закріпленим. При цьому:

.

У третьому випадку, як і в другому, L< L1 , смужка закріплюється один раз і:

.

Однак при цьому ближче до периметра колони виникають зони з низькою якістю закріплення. Природно, найбільше оптимальним варіантом є другий випадок.

Результати досліджень послужили базою для розробки програми розрахунку на ПЕОМ у EXCEL 5.0 основних технологічних параметрів (витрата розчину, швидкість струменя на виході із сопла, швидкість проникання, час одного повороту робочої колони, час підняття монітора, максимальна глибина проникання).

4. Дослідження властивостей закріпляючих розчинів

Це обумовлено тим, що на відміну від інших (ін'єкційних) технологій у результаті руйнування і перемішування оброблюваної породи високо напірними струменями закріпляючих розчинів утворюються нові штучні породні структури. Найбільше перспективними для струминної технології є розчини на цементному базисі.

Основними вимогами до використовуваних розчинів є: спроможність не розшаровуватися при нагнітанні; спроможність твердіти під водою (водостійкість); терміни схоплювання, що забезпечують необхідні умови технологічного процесу готування і нагнітання розчинів; задовільна перемішуваність з оброблюваною породою; необхідна водовіддача після завершення технологічного процесу закріплення й утворення нових породних структур із заданими фізико-механічними і фільтраційними властивостями; достатня міцність на одноосьовий тиск і спроможність протистояти напорові підземних вод. Тому в розділі були досліджені основні властивості закріпляючих розчинів (седиментаційна стійкість, густина, в'язкість, терміни схоплювання, вихід цементного каменя, зміна міцності цементного каменя в часі) залежно від водоцементного відношення. Комплексний аналіз усіх досліджуваних властивостей цементних суспензій при різних водоцементних відношеннях дозволив зробити висновок, що раціональним з погляду в'язкісних властивостей розчину в момент нагнітання і кінцевих міцносних властивостей оброблюваних порід є співвідношення В/Ц = 1,0.

Досліджувався вплив добавок бентонітової глини (від 2 до 10%) на підвищення седиментаційної стійкості цементних суспензій із В/Ц = 0,5; 0,8; 1,0. Установлено, що для струминної технології доцільно використовувати цементні суспензії із В/Ц 1,0 при додаванні в них не більш 2% бентонітової глини.

Для визначення міцнісних властивостей закріплених цементними суспензіями зв'язних і незв'язних порід були виконані дослідження на установці УКБ 12/25С. Аналіз закріплених зразків показав, що міцність незв'язних порід (пісків), розмір порового простору яких займає 25% об'єму, складає до 25% від міцності цементного каменя. Наприклад, при використанні цементної суспензії М-400 з В/Ц=1,0 і вмістом бентоніта 2% міцність породоцементного елемента складає близько 4,5 МПа. З огляду на те, що більшість ін'єкційних способів закріплення дозволяють досягти міцності до 1,0-1,5 МПа, для незв'язних порід показник 25%-го вмісту суспензії в готовому елементі є раціональним при вирішенні різних гірничотехнічних завдань.

При закріпленні зв'язних порід необхідна значно більша кількість закріпляючого розчину. Наприклад, щоб досягти 25%-ної міцності в зв'яз-них порід, необхідно витратити в два рази більше суспензії, ніж для того ж показника в незв'язних порід. При цьому набір міцності в зв'язної породи буде відбуватися набагато повільніше, ніж у незв'язної.

5. Розробка способів і технології для струминного закріплення порід

Запропоновані способи дозволяють підвищити якість закріплення за рахунок:

- закріплення лесових порід окремими зонами. При цьому не руйнується весь кістяк оброблюваної породи, а формуються окремі порожнини, із яких під дією тиску і капілярного руху робиться насичення масиву закріпляючим розчином (патент № 10333А);

- закріплення породи із різними фізико-механічними властивостями при тиску нагнітання розчину, що забезпечує постійний радіус закріплення (патент № 10392 А);

- закріплення дисперсних порід двокомпонентними струменями - рідке скло + стиснуте повітря із хлористим кальцієм (патент № 15071 А) і рідке скло + вуглекислий газ (патент № 20382 А).

Все це дозволило сформулювати основні вимоги до установки для струминного закріплення порід: буріння свердловин Ж 105-125 мм на глибину до 30 м; опускання і підняття монітора у свердловині із одночасною подачею закріпляючих розчинів і речовин; згвинчування і розгвинчування одно- і двополих труб; регулювання швидкості обертання монітора навколо своєї осі від 0 до 150 об/хв; регулювання швидкості підняття монітора в межах 0 - 2,5 м/хв; подача закріпляючих розчинів до монітора під тиском 20-30 МПа. На підставі вищевикладеного під керівництвом і за особистою участю автора разом із ВНДПІОКЕАНМАШ (м. Дніпропетровськ) була розроблена технічна документація (робочі креслення оснастки для установки струминного закріплення порід). Як базові машини були використані: установка розвідувального буріння УРБ-2А-2 на шасі ЗІЛ-131; цементувальний агрегат ЦА-320 М на шасі КРАЗ-256 і прицепна компресорна станція ПР-10/ВМ-2. Як оснастка були розроблені і виготовлені двопорожнинні рядові і моніторна секції, вертлюг і обертач, що дозволяють транспортувати закріпляючий розчин і стиснуте повітря до монітора при обертанні робочого інструмента.

Все це дало можливість створити технологічні схеми і розробити принципову технологію струминного закріплення порід, що дозволяють:

- створювати захисні оболонки при проведенні виробіток мілкого закладення (до 30 м);

- формувати стіни в ґрунті, що забезпечують тривалість бортів котлованів;

- підвищувати стійкість основ будівель і споруд;

- споруджувати гідроізоляційні завіси навколо виробок різного призначення і відстійників шкідливих речовин.

Детально розглянуті питання контролю якості процесу буріння свердловин, струминного закріплення, а також стану порід після завершення робіт.

6. Апробація і впровадження наукових розробок і практичних рекомендацій по струминному закріпленню дисперсних порід

Експериментальні дослідження виконувалися на модернізованій буровій установці УКБ 12/25 С. Дослідження проводилися з грубозернистим піском ( =32 Дж/м2) і лесом ( =447 Дж/м2). Як закріпляючий розчин використовували цементну суспензію із =1500 кг/м3. Тиск нагнітання розчину 0,4 МПа, діаметр сопел - 4,5 мм. Середній діаметр закріплених зразків склав для піску 0,16 м і для лесу 0,15 м. Похибка визначення діаметра закріплених зразків розрахунковим (за допомогою програми на ПЕОМ) і експериментальним способами склала для пісків 4-6%, для лесів близько 7%.

Промислові випробування дослідного зразка установки струминного закріплення порід проводилися на станції відкритого закладення “Набережна ім. Леніна” Дніпропетровського метрополітену. Закріплювалися піски із =73 Дж/м2 цементною суспензією із =1500 кг/м3 під тиском 2,5 МПа. Випробування проводилися при різних режимах швидкостей обертання і підняття монітора. При обертанні і піднятті монітора середній діаметр закріплення склав 0,35 м, при піднятті без обертання глибина проникання струменя розчину була 0,7 м. Похибка визначення діаметра закріпленої колони - близько 6-10%. Міцність готових елементів склала 12 МПа, а коефіцієнт фільтрації 0,0005 м/доб.

Була виконана апробація теоретичних розрахунків технологічних параметрів струминного закріплення пісків Берлінського метро для фірми “Бауер” (Німеччина). Порівняльний аналіз цих розрахунків глибини проникання із експериментальними даними, отриманими фірмою “Бауер” у процесі виконання робіт у Берлінському метро, підтвердив вірогідність виконаних у даній роботі теоретичних і прикладних досліджень. Збіжність результатів склала 12%.

Наукові розробки впроваджені в проектах: Дніпрометропроект при спорудженні підземного переходу через вул. ім. Панікахи на ж/м Тополя-3 м. Дніпропетровська. Очікуваний економічний ефект складає 122780 грн.; Метротунельбудеко при створенні захисної оболонки навколо вертикального ствола № 29 Харківського метро. Очікуваний економічний ефект -198870 грн. Проектні пропозиції передані інституту Дніпродіпрошахт для впровадження.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішена проблема освоєння підземного простору великих міст України в складних гідрогеологічних умовах, що має важливе народногосподарське значення, а саме - дане нове обґрунтування теоретичних і прикладних основ струминного закріплення слабких дисперсних порід, виявлені закономірності процесу проникання високо-напірних струменів закріпляючих розчинів у слабкі дисперсні породи, запропонована нова класифікація дисперсних порід залежно від ступеня проникання в них високо-напірних струменів з урахуванням фізико-механічних властивостей порід і фізико-хімічних властивостей розчинів, що уможливило створення нових технологій струминного закріплення. Нові способи закріплення забезпечують: проведення гірничих виробок і будівництво підземних споруд в особливо складних умовах, захист виробок від проривів у них водонасичених порід, створення стіни в ґрунті при спорудженні підземних об'єктів в умовах забудованості міста, формування гідрогеологічних оболонок навколо різних сховищ, що фільтрують шкідливі речовини у ґрунтові води, підвищення стійкості основ будівель і споруд.

Основні висновки. Наукові та практичні результати полягають у такому:

1. Уперше створена теорія розрахунку робочих параметрів струминної технології закріплення слабких дисперсних порід залежно від фізико-механічних властивостей закріпляючого розчину і закріплюваної дисперсної породи. Властивості породи, що закріплюється за допомогою струминної технології, що раніше описувалися в рамках теорії динаміки ґрунтів, уперше були описані за допомогою теорії турбулентних струменів. Це дозволило при визначенні глибини проникання струменя в породу врахувати турбулентний характер поширення струменя й установити характер зміни швидкості струменя вздовж осі його поширення.

2. Уперше встановлені граничні умови проникання високо-напірних струменів закріпляючого розчину в слабку дисперсну породу, що дозволяє визначати кінцеву глибину поширення струменя розчину в цій породі.

3. Уперше використане поняття "ударна в'язкість" для характеристики слабких дисперсних порід. Для проведення досліджень по визначенню ударної в'язкості цих порід була розроблена методика і створена лабораторна установка, на якій уперше були отримані залежності ударної в'язкості від ступеня вологості для зв'язних і незв'язних дисперсних порід. Установлено, що при збільшенні вологості до 25% ударна в'язкість у зв'язних порід зменшується на 50-80 Дж/м2 за рахунок ослаблення поверхневих зв'язків між частками породи, а в незв'язних - зростає на 40-60 Дж/м2 за рахунок збільшення поверхневих сил у міжпоровому просторі дисперсної породи.

4. Уперше була отримана залежність експериментальної функції, що входить у теорію турбулентних струменів, від співвідношення густини двох середовищ, які перемішуються, що дозволило врахувати в теоретичних розрахунках відмінність густини струменя закріпляючого розчину від щільності закріплюваної породи.

5. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень різних форм і геометричних розмірів насадок, які можна застосовувати при струминній технології закріплення дисперсних порід, були визначені раціональні геометричні розміри і форми насадок, що запобігають виникненню явища кавітації при високих тисках і забезпечують оптимальну якість струменя.

6. Уперше отримана критеріальна залежність, яка включає видозмінений критерій Рейнольдса, критерій Фур'є і критерій, що описує співвідношення густини закріпляючого розчину й оброблюваної породи, що дозволило перераховувати тиск нагнітання і витрату закріпляючого розчину, час дії та глибину проникання струменя, одержані в процесі моделювання, для натурних умов.

7. Уперше розроблена класифікація слабких дисперсних порід залежно від глибини проникання в них високо-напірного струменя закріпляючого розчину, яка враховує ударну в'язкість цих порід і дозволяє робити попередній вибір способів і технологічних параметрів струминного закріплення.

8. На підставі лабораторних досліджень визначене оптимальне водоцементне співвідношення суспензій на цементному базисі, що застосовуються для струминної технології закріплення дисперсних порід, яке забезпечує необхідну міцність закріпленої породи.

9. Уперше встановлені закономірності впливу якості і кількості закріпляючих розчинів на міцність породоцементних елементів, що дозволяють визначити раціональні параметри процесу закріплення при рішенні різних гірничотехнічних завдань.

10. Установлені нові закономірності проникання високо-напірних струменів у слабкі дисперсні породи залежно від співвідношень густини закріпляючого розчину й щільності оброблюваної породи, ударної в'язкості цієї породи, швидкостей підняття й обертання робочого інструмента, витрати і тиску струменя закріпляючого розчину, геометричної форми сопла, що формує струмінь, на підставі яких були розроблені способи струминного закріплення порід, підтверджені патентами України.

11. Розроблені основи керування властивостями і станом слабких дисперсних порід за допомогою високо-напірних струменів закріпляючих розчинів, що дозволило створити ефективні способи (патенти № 1ОЗЗЗ А; 10392 А; 15071 А;20380 A), технологію і засоби струминного закріплення, що забезпечують необхідну безпеку при вирішенні різних гірничотехнічних завдань у процесі освоєння підземного простору міст України.

12. Розроблені комп'ютерні програми по визначенню технологічних параметрів і схеми струминного закріплення порід при проведенні вертикальних стволів і горизонтальних виробіток неглибокого закладення, створенні гідроізоляційної завіси навколо підземних камер, закріпленні основ під будівлями і спорудами. Технологічні схеми погоджені інститутом Дніпродіпрошахт і затверджені ДонВуГІ (1997р.).

13. Розроблений, змонтований і випробуваний у полігонних умовах дослідний зразок установки по струминному закріпленню дисперсних порід на базі бурової УРБ-2А-2 і шасі ЗІЛ-131, що дозволяє виконувати роботи по закріпленню з поверхні на глибину до 30 м.

14. Результати досліджень у вигляді рекомендацій впроваджені в проекти Дніпродіпрошахт, Дніпрометропроект і Укртунельбудеко. Результати досліджень також пройшли технологічну апробацію у фірмі "Бауер" (Німеччина) при будівництві Берлінського метрополітену (1996 р.).

15. Проведені випробування експериментальної установки при закріпленні пісків на трасі станції відкритого закладення “Набережна ім. Леніна” Дніпропетровського метрополітену, що підтверджують обґрунтованість і вірогідність наукових результатів, висновків і рекомендацій.

високонапірний дисперскний струминний

Література

Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Ткачук С.В. Выбор определяющих параметров струйного закрепления грунтов // Гидротехническое строительство. - 1993. - № 11. - С. 8-10.

Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Ткачук С.В. Насадки для струйного закрепления пород // Гидротехническое строительство. - 1993. № 11. - С. 6-7.

Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Ткачук С.В. Обоснование моделирования процессов струйной технологии закрепления пород // Гидротехническое строительство. - 1993. - № 9. - С. 35-37.

Бондаренко В.И., Власов С.Ф., Ткачук С.В., Почепов В.Н. Результаты моделирования струйной технологии закрепления пород // Гидротехническое строительство. - 1994. - № 1. - С. 35-37.

Власов С.Ф. Струйное закрепление пород в подземном пространстве // Коммунальное хозяйство городов: Науч. - техн. сб. - К.: Техника, 1999. - Вып. 18. - С. 25-28.

Власов С.Ф. Установка для струйного закрепления пород // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - № 3. - с. 29-31.

Власов С.Ф. Влияние скорости вращения и поднятия монитора на основные технологические параметры струйных технологий закрепления слабых пород // Гірнича електромеханіка та автоматіка: Наук.-техн. зб. - Дніпропетровськ: НГА України, 1999. - № 2. - С. 263-268.

8. Власов С.Ф., Ткачук С.В., Владыко А.Б. Экспериментальные исследования и теоретический расчет процесса насыщения дисперсных пород закрепляющим раствором при струйной технологии // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, 1998. - № 1. - С. 137-142.

9. Власов С.Ф., Владыко А.Б., Устивицкий О.А. Технология струйного закрепления дисперсных пород при сооружении шахтных стволов // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, 1998. - № 3. - Т. 3. - С. 108-112.

Власов С.Ф. Теория и технология струйного закрепления слабых пород // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997. - № 1. - с. 4-5.

Власов С.Ф. Основные этапы развития физико-химических способов закрепления пород // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997. - № 2. - С. 17-19.

Власов С.Ф. Факторы, влияющие на освоение подземного прос-транства городов // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск: НГА Украины, 1999. - № 6.-Т. 3.- с. 115-118.

Размещено на Allbest.ru