CC BY
47
УДК 622.236.732
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., зам. декана, (4872) 33-31-55, kagolovin@inbox.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Лежебоков, соискатель, (4872) 33-31-55, kagolovin@inbox.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А. П. Назаров, асп., (4872) 33-31-55, kagolovin@inbox. ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕТЕХНОЛОГИИ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ДВУХКОМПОНЕНТНЫМИ ВОДОЦЕМЕНТНЫМИ СТРУЯМИ
Рассмотрены преимущества использования способа закрепления неустойчивых горных пород методом гидростуйной цементации за счет применения двухкомпо-нентных водоцементных струй.
Ключевые слова: водоцементная струя, воздушная струя, коэффициент сцепления, множественная регрессия.
Струйная цементация горных пород - это новая перспективная технология закрепления горных пород (технология «Jet grouting»), которая имеет широкое распространение за рубежом, метод запатентован в 1971 г. в Японии. В нашей стране технология применяется с начала 90-х годов 20-го века. В основе струйной технологии лежит использование энергии высоконапорной струи цементного раствора жидкости для разрушения и перемешивания исходного природного грунта в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте).
Современные тенденции роста объёмов подземного строительства, повышение требований к работам с точки зрения экологической безопасности при устройстве тоннелей, кабельных коллекторов, а так же прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин при наличии на поверхности зданий, создает необходимость в создании новых технических средств. При ведении работ в неустойчивых горных породах возникает потребность в придании массивам новых физико-механических свойств. Вариантом решения данной проблемы является ГСЦ двухкомпонентными струями. Смысл ее заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, которая во взаимодействии со спутным воздушным потоком, направляется на разрушение и перемешивание горной породы в массиве без создания в нем избыточного давления. Однако, отсутствие научно обоснованных методов выбора рациональных режимов работы оборудования для закрепления наибольшего диаметра при наименьших энергетических затратах делает актуальным ее изучение.
Таким образом, создается необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния различных параметров
349
процесса на эффективность работы установок реализующих ГСЦ методом двухкомпонентной струи в неустойчивых горных породах.
Однако в настоящее время прогнозирование процесса закрепления массива неустойчивых горных пород гидроструйной цементации двухком-понентными струями производится на основе частного опыта без учета особенностей воздействия водоцементной струи со спутным воздушным потоком и критериев оценки эффективности использования энергии водо-цементной струи со спутным воздушным потоком.
Для описания закономерностей разрушения массива гидроструйной цементацией двухкомпонентными струями в неустойчивых горных породах необходимо учесть особенности, возникающие в связи с расположением струеформирующей насадки на технологическом инструменте, который показан на рисунке.
Схема ГСЦ двухкомпонентной струи горных пород: 1 - буровая колонна; 2 - струеформирующая насадка; 3 - водоцементная суспензионная струя; 4 - воздушная струя; 5 - механический буровой инструмент; 6 - породобетон; 7 - закрепляемый исходный массив; В0 - диаметр пилотной скважины; Б- диаметр закрепляемого массива, м; й0 - диаметр струеформируещей насадки, м; dв- диаметр воздушной насадки; Р - давление цементного раствора, МПа; Рв -давление воздуха, МПа; V- скорость перемещения буровой колонны, м/с; п- частота вращения буровой колонны, с -1, В0 - диаметр пилотной скважины, м;
В - диаметр закрепляемого массива, м; р - плотность водоцементной суспензии, кг/м3; / - коэффициент расхода через струеформирующую насадку; d0 - диаметр струеформируещей насадки, м; Р - давление
цементного раствора, МПа; V- скорость перемещения буровой колонны, м/с; п - частота вращения буровой колонны, с'1; С - коэффициент сцепления горной породы, МПа
350
На рисунке показаны основными факторы, определяющие процесс ГСЦ двухкомпонентной струей горных пород:
конструктивные: диаметр пилотной скважины D0, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку ¡1, диаметр отверстия струеформируещей насадки й0 диаметр воздушной насадки йв (конструктивной особенностью воздушной насадки мы пренебри-гаем, а именно формой сечения насадки).
режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения буровой колонны V, частота вращения буровой колонны п, давление водоцементной суспензии Р ,давление воздуха Рв, физико-технические свойства горных пород.
В качестве основных критериев оценки эффективности процесса гидроструйной цементацией двухкомпонентными струями горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива Б, скорость приращения объема закрепляемого породного массива G0 (производительность) и удельная энергоемкость процесса гидроструйной цементацией двухкомпонентными струями горных пород Е0.
Для установления закономерностей процесса гидроструйной цементацией двухкомпонентными струями неустойчивых горных пород были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования влияния основных факторов на показатели процесса гидроструйной цементацией двухкомпонентными струями проводились на специальном стенде, имитирующем работу оборудования для реализации данной технологии.
Работы в стендовых условиях проводились в пяти различных горных породах. В качестве показателя физико-технических свойств горных пород на основе предварительных исследований был принят коэффициент сцепления С горных пород.
Основные характеристики горных пород
Горная порода Коэффициент сцепления С, МПа
Глина 0,064
Суглинок 0,045
Супесь 0,032
Гравий 0,023
Песок 0,006
В ходе экспериментов проводились исследования по установлению влияния конструктивных и режимных параметров на диаметр закрепляемого массива.
Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость рациональной скорости перемещения от диаметра струеформи-рующей насадки и частоты вращения буровой колонны:
У„ = 0,16 40И9 п 0102 (1)
Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ двухкомпонентной струи горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.
Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива Б зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения буровой колонны Vп, давление водоцементной суспензии РО, частота вращения буровой колонны п, диаметр отверстия струефор-мирующей насадки й0, давление воздуха Рв, диаметр насадки воздуха йв, коэффициент сцепления С, коэффициент расхода суспензии через насадку /, плотность водоцементной суспензии р.
Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр закрепляемого массива приводят к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не изменялась. К числу неизменяемых факторов относятся следующие: р, В0 и /.
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива Б , м,
Р1,14й1,29 р 0,20 4 В = 0,72 й° Рв 4 (2)
гП37С°'26п°'41
Полученная зависимость (2) позволяет рассчитать диаметр закреп-леного продобетонного массива в зависимости от свойств горных пород, режимов работы установки и конструктивного исполнения инструмента.
Анализ результатов исследований позволил выявить основные положения теории и практики применения водоцементных струй в спутном воздушном потоке как угле- и породоразрушающего инструмента в горном производстве. Закономерность влияния конструктивных параметров с учетом прочности пород обобщенные для ГСЦ двухкомпонентными струями и режимов его работы на показатели процесса закрепления, позволяющих работу в области минимальной энергоемкости процесса, что имеет существенное значение для горной промышленности России.
Список литературы
1. Головин К.А. Диссертационная работа «Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производстве.»
2. Головин К.А., Поляков А.В., Пушкарев А.Е./ Стендовая база для исследования процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления// Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Серiя: «^рничо-електромехашчна». Випуск 99.- Донецьк: ДонНТУ, 2005.-22-26 с.
3. Головин К.А., Миллер М.М., Антоненко С.В., Король В.В./Расчет основных параметров гидроабразивного резака // Известия ТулГУ. Серия «Геотехнологии». Вып. 1.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2006.- 192-199с.
4. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Щеголевский М.М. Гидроабразивное резание горных пород. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003.-279 с.: ил.
K.A.Golovin, A.V.Lezhebokov, A.P.Nazarov
HYDRO BLASTING GROUTING WITH TWO-PART VODOCEMENTNYMI ISSLEDOVANIETEHNOLOGII JETS.
Consider the advantages of using the method of fixing unstable rocks gidrostujnoj Grouting method by applying two-component vodocementnyh jets.
Key words: vodocementnaa Jet, air jet, the coefficient of adhesion, multiple regression.
Получено 20.11.12
