Исследование факторов, влияющих на изменение траектории движения грунтового проходчика Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.23.05

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТОВОГО ПРОХОДЧИКА

Борис Борисович Данилов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)205-30-30, доп. 119, e-mail: [email protected]

Анвар Исмагилович Чанышев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией механики взрыва и разрушения горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 107, e-mail: [email protected]

Дмитрий Олегович Чещин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)205-30-30, доп. 157, e-mail: [email protected]

В работе предложена принципиальная конструктивная схема механизма изменения траектории движения пневмопробойника. Приведены результаты математического исследования взаимодействия наклонной площадки с грунтовым массивом.

Ключевые слова: скважина, пневмопробойник, скважины криволинейной траекторией, наклонная площадка, сдвиг грунта.

STUDY OF FACTORS AFFECTING ADJUSTMENT OF A PNEUMATIC-PUNCH PENETRATION PATH IN SOIL

Boris B. Danilov

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head, Underground Construction Equipment and Geotechnology Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 119, e-mail: [email protected]

Anvar I. Chanyshev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Professor, Head, Explosion Mechanics and Rock Failure Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 107, e-mail: [email protected]

Dmitry O. Cheshchin

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Underground Construction Equipment and Geotechnology Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 157, e-mail: [email protected]

The authors propose the basic diagram of a device designed to adjust a penetration path of a pneumatic punch. The data on mathematical research of interaction of an inclined site with a soil mass are reported.

Key words: borehole, pneumatic punch, curved-path hole, inclined site, soil shear.

В настоящее время интенсивно развиваются технологии направленного бурения, в процессе которого осуществляется корректировка направления скважин. Это позволяет повысить точность траектории скважин и обеспечить их выход в заданную область подземного пространства.

В ИГД СО РАН разработан [1] и испытан управляемый грунтовый проходчик (пневмопробойник) выполненный по схеме изменения его внешней формы за счет отклонения задней части (рис. 1).

з Д б_

\1_ ХгХзЧ!

Рис. 1. Схема механизма управления траекторией грунтопроходчика (при отклоненной задней части)

Механизм (рис. 1) представляет собой отклоняющуюся заднюю часть 4, шар" и и 1 г— " о V-» /"ч

нирно соединенную с задней гайкой 1 пневмопробойника 8 посредством гайки 2 и втулки 3. Для создания отклоняющего усилия в устройство вмонтирована эластичная камера 7, управляемая с помощью клапанного механизма 6. Выбор направления отклонения пневмопробойника, осуществляется поворотом воздухоподводящего шланга (рукава) 5. Для отклонения корпуса пневмопробойника в эластичную камеру через клапанный механизм подается давление, создающее усилие для поворота его задней части относительно втулки 3 (и корпуса пневмопробойника 8 за счет их жесткой связи) на некоторый угол у.

Для определения динамических параметров грунтопроходчика с механизмом управления траекторией, необходимо решить три задачи.

Первой задачей является определение усилия необходимого для внедрения отклоняемой задней части в стенку скважины.

Вторая задача - определение силы сопротивления грунта (породы), действующей на отклоненную заднюю часть при продольном движении машины. Эта сила создает момент, обеспечивающий разворот корпуса проходчика в заданном направлении. При этом величина ударного импульса должна быть достаточна для преодоления сил сопротивления, как на корпусе машины, так и на механизме управления траектории.

Третья задача, связана с определением угла поворота корпуса.

При моделировании процесса деформирования горной породы ее традиционно рассматривают как металл с двумя характеристиками - модулем Юнга Е и коэффициентом Пуассона V. В реальном процессе деформирования горные породы обладают рядом отличительных черт. Прежде всего, они разносопротивляются при растяжении и сжатии. Объем горных пород увеличивается при сдвигах (эффект дилатансии), для грунтовой массы объем может как увеличиваться, так и уменьшаться, при возникновении стесненных условий.

Известны задачи, связанные с определением сил взаимодействия погружных машин с грунтом [2,3]. В данной работе решается задача определения нагрузки, необходимой для движения механизма управления траекторией в породе.

На рис. 2 представлена принципиальная схема движения отклоняющего устройства, в виде отрезка СБ, движущегося влево вместе с проходчиком (ось Ох находится на поверхности проходчика). Впереди отклоняющего устройства находится горная порода, которая должна деформироваться пластически и вытесняться наверх. при этом сверху действует вес налегающей породы, создающей давление pgH, где р -плотность слоя налегающей породы; Н - высота вышележащего слоя. Решая задачу об определении предельной нагрузки, необходимой для движения отклоняющего устройства вперед, силу находим как произведение давления на площадь устройства СБ. Зная силу и точку ее приложения, можно определить величину момента, заставляющего проходчик поворачиваться.

Рис. 2. Принципиальная схема движения отклоненной задней части машины

Для определения предельной нагрузки используем схему жестко-пластичного тела, в которой пренебрегается упругими деформациями. Принимаем, что впереди устройства СБ реализуется состояние плоской деформации (деформация по нормали к плоскости рисунка равна нулю). Для решения задачи имеем уравнения равновесия^]:

дах дт

дх дт

+

xx

xx

+

ду

да у

= 0

(1)

дх ду

=0

и условие пластичности в виде:

аХ +а¥

2

ах -а

х )2 Т ■ ^ р* = К

2

(2)

где К - предел упругости материала, имеющий значение сцепления, ф* - параметр среды, имеющий значение угла внутреннего трения. Характеристики статически определимой задачи (1), (2) равны [5,6]:

Л,2 =

- зт26±Л/1 - % V

tgp * - Ш8 26

(3)

<

2т

где 26 =-——, угол в совпадает с углом между первым направлением для тензора

ах-а¥

напряжений и осью Ох.

Рассмотрим границу CD массива пород. По нормали n, совпадающей с осью 3 (1-3 - главные оси тензора напряжений), возникает сжатие, создающее нагрузку меньшую, чем нагрузка по оси 1. Ось 1 на данной границе направлена по стороне CD. В этой задаче предполагается, что касательное напряжение Tnt=0, т.е. трением прене-брегается. В системе координат xOy вектор нормали n = (sin/,-cos/). Отсюда вектор напряжений ри на этой площадке будет:

P„ = (a х ■ sin 2/ - тм • cos 2/)i + (т^ • sin 2/ - aY • cos 2/)j, (4)

где i, j - орты системы координат x,y. Если t = (cos/,sin/) - орт, направленный по оси 1 на стороне CD, то

Tnt = (Pn ■ t) = а': ^ • sin 2/ -TXY ■ cos2/ (5)

Поскольку Tnt=0 на CD, то отсюда следует, что

tg 2/ = ^^ (6)

ах -aY

На CD напряжения можно определить как

ax = a + T• cos2/, aY = a-T• cos2/, т^ = T• sin2/ (7)

K

Полагаем, что в каждой точке CD выполнено (2). Тогда T =--&• tgp* и

cos p*

вместо (7) получаем следующие уравнения:

K • sin 2/

TXY = -tg(*

cosp

K • cos 2/ . „ .„s

ax = a +-:—-a tgp* • cos2/, (8)

cosp

K•cos 2/ .

aY = a --+ a • tgp * • cos 2/.

cosp*

На границе AD первое главное направление совпадает по направлению с осью Оу (на CD Txy=0). На поверхность по границе AD действует напряжение от вышележащего слоя породы. Тогда напряженное состояние в треугольнике ABD получается следующим:

2 • K

тxy = 0 ^х =--2-:-г, ay =-р• g •H. (9)

cosp* - sinp*

Также предполагается, что угол в сохраняет постоянное значение во всем треугольнике ABD и а равняется константе.

Решения (8),(9) необходимо согласовать. Будем считать, что в плоскости xOy прямая BD разграничивает области ABD и CBD. Обозначим угол наклона прямой BD к оси Ox как р. Тогда нормаль n к BD будет n = (- sin/,cos/).

Вектор напряжения Коши на ББ должен быть непрерывен по третьему закону Ньютона. Отсюда получаем два алгебраических уравнения для нахождения среднего напряжения а и угла в.

2 • K • sin ß sinp* - cosp*

- pgH • cos ß =

K • cos2f а ч-----а • tgp* • cos 2y

K • sin 2y

cos p*

sin ß +

K • sin2f _ ^^

cos p *

- а • tgp* • sin2f

cos p *

- а • tgp* • sin2f

sin ß ч

K • cos 2^ а --+ а • tgp * • cos 2y

cos p *

• cos ß,

(10)

cos ß.

Уравнения (10) есть однородная система двух уравнений для определения двух неизвестных величин: среднего напряжения а в области СББ и угла в (угла наклона ББ к оси Ох). Для существования решения необходимо, чтобы определитель системы (10) был равен нулю. Приравнивая определитель нулю, получаем квадратное уравнение для определения а, решая которое находим корни:

ах p • g • H • (cos 2y • tgp * -1) • ((cos p * - sin p*) - Л/1 - sin 2p *) K 2 • (cosp* - sin p*) • (1 - (tgp*)2)

<t2 p • g • H • (cos 2y • tgp * -1) • ((cos p * - sin p*) + Л/1 - sin 2p *) K 2 • ((sin p * tgp*)(tgp * -1) + (cos p * - sin p*))

(11)

Угол в определяется через tgfi, вычисляемый на основе любого из уравнений (10):

K ■ sin 2/ a- sm2/- tgp*--—

tgp =_CosP*__(12)

, „ * « 2K K ■ cos 2/ v y

a ■ (cos 2/ ■ tg( * -1) + ---;-- - -—

cos ( * - sin ( * cos (p *

Для вычисления нормального давления an на CD, исходим из формул (4),(8). Откуда находим an.

sin 2/ ■ (a ■ (cos (p * + sin p*) - к)

cosp *

(13)

При известной площади с учетом (13) можно найти искомое усилие, зная которое можно приступить к определению энергетических параметров ударного механизма.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ на ПМ № 156648. Устройство для изменения направления движения пневмоударной машины / Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Сырямин Н.Д., Чещин Д.О. - БИ №31 от 10.11.2015 г.

2. Гурков К.С., Климашко В.В., Костылев А.Д. и др. Пневмопробойники. - Новосибирск: Институт горного дела СО АН СССР, 1990. - 218 с.

3. Белобородов В.Н., Изотов А.С., Исаков А.Л., Земцова А.Е. Исследование процесса разрушения тонкостенных труб коническими расширителями // ФТПРПИ. - 1997. - №6.

4.Чанышев А.И., Ефименко Л.Л., Лукьяшко О.А. Задача о предельной нагрузке для отвала горных пород при разработке полезных ископаемых // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2016. - №2. - С.168-173.

5. Соколовский В.В. Теория пластичности. - 3-е изд. - М.: Высш.шк.,1969. - 608 с.

6. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды.- М.: ГИФМЛ,1960. - 121 с.

© Б. Б. Данилов, А. И. Чанышев, Д. О. Чещин, 2017 272