CC BY
12
11. Khaloo A.R., Dehestani M., Rahmatabadi P. Mechanical proper-ties of concrete containing a high volume of tire-rubber particles // Waste Management. 2008. Volume 28. P. 2472-2482. doi: 10.1016/j. was-man.2008.01.015
12. Issa C.A., Salem G. (2013) Utilization of recycled crumb rubber as fine aggregates in concrete mix design // Construction And Building Mate-rials. 2013. Volume 42. P. 48-52. doi:10.1016/ j.conbuildmat.2012.12.054
13. Savich I.N., Tishkov M.V. Formirovanie zakladochnyh massi-vov i utilizacija re-zinokordovyh othodov // GIAB. 2007. № 5. S. 146-152.
14. Stol'nikov V.V., Litvinova R.E. Treshhinostojkost' betona. M.: Jenergija, 1972.
113 s.
15. Komohov P.G. Beton: klassika i sovremennost' [Jelektronnyj resurs] // Populjar-noe betonovedenie: [sajt]. [2008]. URL: http://www.allbeton.ru/article/47/13.html. (data ob-rashhenija: 20.09.2013).
16. Segre N., Ostertag C., Monteiro P. Effect of tire rubber particles on crack propagation in cement paste // Journal of Materials Research. 2006. Volume 9. P. 311-320. doi:10.1590/S1516-14392006000300011
УДК 622.337.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ
СТРУЯМИ ВОДЫ
А.Б. Жабин, Ан.В. Поляков, В.Г. Хачатурян
Приведены результаты экспериментальных исследований процесса резания горючих сланцев струями воды. Описаны закономерности влияния скорости перемещения струи на основные показатели процесса щелеобразования. Приведены расчетные зависимости, позволяющие определять рациональную скорость перемещения струи, а также энергоемкость процесса и скорость приращения боковой поверхности щели.
Ключевые слова: горючие сланцы, результаты экспериментальных исследований, глубина нарезаемой щели, скорость приращения боковой поверхности щели, энергоемкость процесса щелеобразования.
По сравнению со стационарной (неподвижной) струей воды, которая образует в забое конусную воронку, перемещение струи относительно забоя может значительно повысить эффективность разрушения [1 - 3]. В этом случае в горном массиве будет образовываться щель, геометрические
_Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып. 3_
параметры которой зависят и определяются не только параметрами струи и физико-механическими свойствами горной породы, но и относительной скоростью перемещения струи. Образованию щели способствует ликвидация гидравлической подушки, так как отработанная вода не будет скапливаться на дне, а будет свободно растекаться по всей щели. Кроме того, относительная скорость перемещения струи является важным технологическим параметром, в значительной степени определяющим эффективность процесса. Перемещение струи является необходимым условием для получения щели, то есть создания дополнительной плоскости ослабления по поверхности забоя.
Установление рациональной скорости перемещения является необходимым условием для научно-обоснованного выбора привода исполнительного органа горной машины, использующего в качестве разрушающего инструмента, в том числе и тонкие высокоскоростные струи воды, а также диапазоны его регулирования.
Поэтому одной из задач исследований процесса резания горючих сланцев является установление закономерностей изменения эффективности процесса щелеобразования (площади реза) в зависимости от изменения относительной скорости перемещения.
Экспериментальные исследования по установлению зависимостей глубины щели Ищ, скорости приращения боковой поверхности щели Гщ и удельной энергоемкости процесса щелеобразования Ещ от скорости перемещения проводились на образцах горючих сланцев с пределом прочности на одноосное сжатие 24,6 МПа при давлении воды Р0 50 и 70 МПа и диаметре отверстия струеформирующей насадки ^ 2,0; 2,5 и 3,0 мм. Скорость перемещения составляла уп 0,03; 0,1; 0,25 и 0,35 м/с. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 1.
Анализ данных (см. рис. 1, а) показывает, что с увеличением скорости перемещения глубина щели уменьшается по зависимости близкой к линейной. Так, например, при уп, = 0,03 м/с, Р0 = 50 МПа и й0 = 2,0 мм значение глубины резания составляет 120 мм, а при уп, = 0,35 м/с Ищ = 35 мм, то есть примерно в 3,4 раза меньше. Такой же характер наблюдается и при других значениях Р0 и й0 . Из рис. 1 видно, что при меньших давлениях воды при всех значениях скорости перемещения струи глубина щели снижается. Так, например, при уп, = 0,03 м/с и ^ = 3,0 мм глубина щели для Р0 = 50 МПа равняется 186 мм, в то время как при Р0 = 70 МПа ее значение составляет 200 мм. С ростом расхода воды ^ глубина щели также возрастает. При этом интенсивность влияния скорости перемещения струи для исследованных гидравлических параметров струи одинакова, о чем свидетельствует примерная параллельность прямых зависимости Нщ = / (уп). Следует отметить, что такой же качественный характер этой зависимости наблюдается и при резании углей и горных пород (см., например, [4]).
а
1гщ, мм
190 165
Ж
1 \
с 2 N 1 ^
V,, м/с
б
———
0 - :4
у' <> —
/У, :
/\ -
1 -—
// \ О
г у
□,□5 0,1
0,2 0,2 5 0,3 у м/с
в
МДж/м-
20,0
* У у
ш \\ \ > + з
\ \ч :
2 I7 ■
0,075 0,123 0,175 0,2:5 0,275 0,325
г,„ м/с
Рис. 1. Зависимости глубины прорезаемой щели Нщ (а), скорости приращения боковой поверхности щели ¥щ (б) и удельной энергоемкости процесса щелеобразования Ещ (в) от скорости перемещения струи воды уп: 1 - при Р0 = 50 МПа и й0 = 2,0 мм; 2 - при Р0 = 70 МПа и й0 = 2,0 мм; 3 - при Р0 = 50 МПа и й0 = 2,5 мм; 4 - при Р0 = 70 МПа и й0 = 2,5 мм; 5 - при Р0 = 50 МПа и й0 = 3,0 мм; 6 - при Р0 = 70 МПа и й0 = 3,0мм
_Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып. 3_
В то же время следует остановиться более подробно на том факте, когда при разрушении получаются гораздо меньшие глубины зарубных щелей при сравнительно больших скоростях перемещения струи, поскольку отмеченная закономерность может послужить значительным резервом производительности изучаемого процесса гидравлического разрушения.
Действительно, из анализа данных, приведенных на рис. 1, а и проведенных расчетов следует, что для нарезки зарубной щели длиной 1 м в сланце с осж = 24,6 МПа глубиной 120 мм при скорости перемещения струи 0,03 м/с затрачивается порядка 30 с. При этом эффективность процесса щелеобразования составит 0,0036 м2/с. В то же время при скорости перемещения струи 0,35 м/с и при глубине щели 35 мм потребуется 3 с, то есть в 10 раз меньше. Интенсивность процесса щелеобразования составит 0,0123 м2/с, что примерно в 3,5 раза больше, чем в первом случае.
Следовательно, разрушение горючих сланцев с повышенными скоростями перемещения приводит к увеличению интенсивности процесса щелеобразования и существенному снижению времени работы струи на определенной длине резания или существенному увеличению длины за-рубной щели, что, в конечном счете, будет очень важным обстоятельством при обработке забоя системой зарубных щелей. Кроме того, из графиков (см. рис. 1, б) следует, что изменение площади реза в зависимости от изменения скорости перемещения струи происходит по параболам с наличием экстремальных значений функции. Эти экстремальные максимальные значения и предопределяют рациональные значения скорости перемещения струи. При этом с увеличением давления воды и диаметра отверстия струеформирующей насадки скорость приращения боковой поверхности щели возрастает, поскольку, с повышением этих параметров глубина щели увеличивается.
Вместе с тем, установлено (см. рис. 1, в), что с увеличением скорости перемещения струи воды удельные энергозатраты вначале при малых скоростях резко снижаются, а затем с ростом скорости перемещения интенсивность снижения уменьшается. Такой характер зависимостей объясняется тем, что при увеличении уп до определенного момента возрастает скорость приращения боковой поверхности щели, а удельные энергозатраты резко снижаться. Затем показатель Гщ начинает постепенно уменьшаться и интенсивности снижения удельной энергоемкости выполаживается. При этом с ростом гидравлических параметров струи воды удельные энергозатраты возрастают.
Математическая обработка результатов исследований с применением методов множественной регрессии [5, 6] позволила получить следующие расчетные зависимости:
^ = 0,075Р°,19 459; (1)
прац ' 0 0' V /
Рщ = (0,05 с1о + 0,04К - 0,3 V«2; Ещ = 0,006С00,55 ^Ч"0,65.
(2)
(3)
Коэффициент детерминации для выражений (1) - (3) составил 0,98, 0,88 и 0,87 соответственно, что подтверждает адекватность полученных зависимостей. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных не превышает 4,5%, что указывает на достаточную сходимость расчетных и экспериментальных данных. Значения коэффициентов в уравнениях (1) - (3) выдерживают проверку на значимость по критерию Стью-дента. Для подтверждения, сказанного на рис. 2, в качестве примера, показано сопоставление экспериментальных и расчетных данных удельной энергоемкости процесса щелеобразования по формуле (3).
Таким образом, выполненные исследования и полученные результаты показывают, что с увеличением скорости перемещения струи воды глубина щели и удельная энергоемкость процесса уменьшаются по линейной и степенной зависимостям соответственно. Скорость приращения боковой поверхности щели изменяется по параболической зависимости с наличием максимума, характеризующим значение рациональной скорости перемещения. Для показателей скорости приращения боковой поверхности щели и удельной энергоемкости получены расчетные зависимости.
Рис. 2. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных удельной энергоемкости по формуле (3)
Установлена также расчетная формула для определения рациональной скорости перемещения струи воды в зависимости от давления воды и диаметра отверстия струеформирующей насадки при разрушении горючих сланцев.
_Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып. 3_
Список литературы
1. Мерзляков, В.Г., Бафталовский В.Е., Байдинов В.Н. Опыт применения гидравлических струй высокого давления при создании эффективных средств разрушения горных пород // Маркшейдерский вестник. № 1. Январь-Февраль. М., 2010. С. 33 - 39.
2. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП - ИГД им. А. А. Скочинского, 2004. 645 с.
3. Совершенствование гидроструйных технологий в горном производстве / А. Б. Жабин [и др.]. М.: Изд-во «Горная книга», 2010. 337 с.
4. Никонов Г.П., Кузьмич И. А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986. 143 с.
5. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1962. С. 387.
6. Крамер, Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. С.
243.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., Pokyakoff-an@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хачатурян Вильям Генрихович, асп., wil71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCHING REGULARITIES OF SLATE COAL DISINTEGRATION BY HIGH-VELOCITY OF WATER JETS
A.B. Zhabin, An. V. Polyakov, W.H. Khachaturian
Results of experimental researching process of cutting slate coal by water jets are discussed. Regularities of the influencing the water jet velocity on basic indexes of crack-formation were described. Calculation formulas allowing determining the rational velocity of the water jet, as well as energy intensity and the rate of increment for lateral surface are submitted.
Key words: slate coal, results of experimental research, depth of the cut, rate of increment of the lateral surface, energy intensity the process of cracking.
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, Zhabin. tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, Polyakoff-an@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khachaturian William Henrihovich, postgraduate, wil71@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Merzljakov, V.G., Baftalovskij V.E., Bajdinov V.N. Opyt primenenija gidravli-cheskih struj vysokogo davlenija pri sozdanii jef-fektivnyh sredstv razrushenija gornyh porod. Markshejderskij vest-nik. № 1, Janvar'-Fevral'. M., 2010. S. 33 - 39.
2. Merzljakov V.G., Baftalovskij V.E. Fiziko-tehnicheskie osno-vy gidrostrujnyh tehnologij v gornom proizvodstve. M.: NNCGP - IGD im. A.A. Skochinskogo, 2004. 645 s.
3. Sovershenstvovanie gidrostrujnyh tehnologij v gornom pro-izvodstve/ A. B. Zha-bin [i dr.]// M.: Izd-vo Gornaja kniga: Izd-vo MGGU, 2010. 337 s.
4. Nikonov G.P., Kuz'mich I.A., Gol'din Ju.A. Razrushenie gor-nyh porod strujami vody vysokogo davlenija. M.: Nedra, 1986. 143 s.
5. Linnik, Ju.V. Metod naimen'shih kvadratov i osnovy teorii obrabotki nabljudenij. M.: Fizmatgiz, 1962. S. 387.
6. Kramer, G. Matematicheskie metody statistiki. M.: Mir, 1975. S. 243.
УДК 622.4
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОДВЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВ НА ПОРОДНЫЙ МАССИВ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В.Р. Ногих
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Уточнены закономерности напряженно-деформированного состояния пород кровли при взаимодействии подвесных транспортных устройств с породным массивом, позволившие разработать и внедрить комплекс технических средств обеспечения устойчивости подземных транспортных выработок. Обоснована концепция эксплуатационной надёжности многофункциональной системы «геомассив - крепь - транспорт».
Ключевые слова: подвесное транспортное устройство, горный массив, крепь, напряженно-деформированное состояние, устойчивость, математическая модель.
При подземной разработке месторождений полезных ископаемых одной из актуальных задач является обеспечение устойчивости транспортных выработок с поддержанием их в безремонтном состоянии в течение всего периода эксплуатации. На современных высокопроизводительных шахтах возросла не только интенсивность транспортных потоков, но и увеличились габариты и масса транспортируемого оборудования. В соответствии с концепцией прогрессивного развития транспортных систем горнодобывающих предприятий для перевозки крупногабаритного оборудования с массой более 30 т в качестве основного направления принято внедрение подвесных монорельсовых дорог. При эксплуатации подвесных
141
