Модель формирования струиводоцементного раствора при гидроструйной цементации Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Серия «Науки о Земле» Вып. 2. -Тула: ТулГУ, 2007. - С.210 - 213.

2. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород / В. А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушка-рев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во АГН, 2000. - 343 с.

3. Артемьев В.Б. Перспективы струговой выемки угля// Уголь. 2004. №3. С.9

Хачатурян Вильям Генрихович, асп., wil71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH OF INFLUENCE OF DIAMETER NOZZLE ON THE WORKING FLUID FLOW OF THE EXECUTIVE BODY

HYDROMECHANICAL PLOW

W. G. Khachaturyan Tula State University

The analysis of a series of experiments. The dependence of the flow rate of the working fluid on the hydromechanical cutter on the diameter of the nozzle.

Key words: plow, hydromechanical destruction of coal.

Khachaturyan William Genrihovich, posygraduate, wil71 amail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.271.64

МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУИВОДОЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА ПРИ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

К.А. Головин, А.М. Лебедев, А.Е. Пушкарев

Произведен анализ серии экспериментов. Определены значения коэффициентов математической модели.

Ключевые слова: гидроструйная цементация; скорость струи; формирование струи; разрушение массива пород.

В последнее время на рынке машиностроительной техники, главным образом за рубежом (Япония Италия и Англия), появилось большое количество оборудования, использующего для закрепления в основном грунтов способ гидроструйной цементации (ГСЦ) при строительстве оснований и фундаментов, возведении свай и т.д. Сущность ГСЦ горных пород (Jеtgrouting) заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в пород-

ный 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. В результате разрушения и перемешивания горной породы суспензионной струей формируется закрепленный породный массив цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала - породобетона. Необходимо отметить, что ГСЦ позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных горных пород как природного, так и техногенного происхождения. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в последнее десятилетие способ ГСЦ горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру. Однако, в силу своей новизны и коммерческой ценности, результаты научных исследований, посвященных установлению закономерностей закрепления горных пород способом ГСЦ, носят отрывочный характер. При этом практически все исследователи отмечают, что решающее значение для определения рациональных параметров ГСЦ имеет понимание механизма формирования погружной струи водоцементного раствора и его взаимодействия с массивом. Экспериментальный способ исследования столь сложного процесса весьма дорог и имеет высокую трудоемкость. Поэтому построение метода математического описания, основанного на апробированных и общепризнанных подходах, позволяющего произвести имитационное моделирование процесса ГСЦ и установить его закономерности является весьма актуальной задачей. Попытки решения, которой предпринимались целым рядом ученых [1-4].

Согласно экспериментальным данным продольная скорость вещества струи в ее поперечном сечении распределена по зависимости аналогичной нормальному закону распределения [3]. Это позволяет предположить, что плотность вероятности протекания вещества струи в поперечном сечении соответствует двумерному нормальному закону

2 , 2 _ У + Z

1 о 2

/(у, =-- е 2°и , (1)

2ши

где у,г- декартовы координаты поперечного сечения струи.

Тогда поток вещества струи (масса в единицу времени) через элементарную площадку dS = dydz поперечного сечения определяется формулой

22 _ У 2 + z 2

1 2

dM = кмр(у, z) = км-2 е °и dydz,

где км - коэффициент, определяемый физическими свойствами материала

струи.

Следовательно, поток материала струи через все поперечное сечение

2 , 2 _ У + 2

т0 = | ¿И = км | | -- е и dydz = км 1 = км. (2)

2

—¥ —¥ -¿/V V.) и

где т0 - суммарный поток материала струи на срезе сопла.

С другой стороны, двумерную плотность распределения (1) можно рассматривать как плотность распределения системы случайных величин

(7,2). Тогда безусловная плотность распределения составляющей Гравна

2 2 2 У 22 у ¥ * ^ ¥ __ * _ ^

/1 (у)= [/(у,2^ =е ( е (=е ( ,

ипоток материала струи через элементарный интервал ¿у продольного сечения в плоскости Оху, связанный с ординатой у,

у2

1 2а2

¿т = то ,—— е и ¿у . (3)

С другой стороны, как уже было сказано продольная скорость вещества струи распределена по зависимости аналогичной нормальному закону распределения

22 у 2 у 2

(у) = ите (и = К^р'е ^ (4)

где ит - максимальная продольная скорость; ки - коэффициент пропорциональности.

Тогда поток материала струи через элементарный интервал ¿у продольного сечения будет пропорционален продольной скорости

2

_ у 1 2

dт = кти(у^у = ктки-г=— е 2°и ¿у. (5)

л/2ЯОи

Сравнив (3) и (5), получим

ктки = т0 . (6)

Из равенства (4) следует, что максимальная продольная скорость (на оси струи при у = 0) равна

и = ки

ит

Однако, согласно экспериментальным данным [2] максимальная продольная скорость подчиняется следующей зависимости от продольной

координаты х:

_ m

um = , х

где m- коэффициент пропорциональности. Следовательно,

(7)

V2pou х

Введем на плоскости Oyz поперечного сечения полярную систему координат Orj. Тогда y = r cos j, z = r sin j, y2 + z2 = r2 и формула для потока вещества струи через элементарную площадку принимает вид

r 2

dM = kmku-— e u rdrdj.

^ „ 2о2 2x0;,

Распределение (4) продольной скорости справедливо для любого продольного сечения, поэтому можно записать

г 2

и (г ) = ки .-1— e 2о2 .

V2p0u

Перенос импульса в единицу временив направлении Ox через элементарную площадку гdгdф поперечного сечения, связанную с точкой (г,ф)определяется равенством

_ г2

11 2

dp(г, ф, x) = ы(г )dm = kmk^—|=--— e °м ммф.

^/2^ 2ро2

Интегрируя, получим суммарныйпродольный перенос импульса через поперечное сечение, расположенное на расстоянии x от полюса струи

_ г2

1 ¥ о2 2р k k2 I г О.. у г у

I I 2 k k

p(x) = |dp(r, j,х) = kmkl-r=--2 | e s rdr |dj = —m=u-

V2psu 2po2 0 0 2V2psu

По экспериментальным данным [2] в продольном сечении струя ограничена прямой линией Ь = kx .С другой стороны, при нормальном распределении случайной величины практически все ее значения принадлежат отрезку [_ 3ом ,3ом ], т. е. на практике можно принятьЬ = 3ои. Следовательно,

ou = kx = ax. (8)

Тогда (7) принимает вид

ки т

■\f2nax х

или

42ка ( )

К моменту входа в породу струя практически не изменяет свой диаметр, поэтому при х = х0 можно принять

ьо = г0 = к0(0 = к0 ах0 , где г0 - радиус сопла; х0 - расстояние полюса струи от входа в породу; к0 -коэффициент.

Поэтому

ах0 = .(10)

к0

Следовательно, суммарный продольный перенос импульса на входе в породу

р(х0 ) =

к к2 к к2 кгкк к2

^т^и _ ^т^и _ Л0Лт^и

^л/2Ро0 242Рах0 2л[2жг0

Пренебрегая потерями импульса на воздушном участке струи до входа в породу, можно записать р(х0 ) = т0и0,где и 0- продольная скорость струи на срезе сопла.

Приравняв, получим

к к к2

^ пг- = т0и0. (11)

2л/2РГ0

Объединив (6). (9) и (11), получим систему для определения коэффициентов а, кт, ки

2

т0 ки к0ктки

кт =-, —, пг~ = ^ = m0u0,

ки л/2ра 2^2%Г0

решение которой

кт = тс, а = 2Г0и0, ки = ^25,00 (12)

ки к0 т к0

г

Из (10) следует х0 = ——. С учетом (12)

к0а

_ Г0 к0 т _ гт 0 к02г0и0 2и0 Примем, что в породе струя ограничена ординатой

угр = Ьгр = Р гр (и = Р грах . Согласно экспериментальным данным статическое давление в струе

319

практически неизменно [2]. Следовательно, полное давление струи при встрече с препятствием можно найти из уравнения Бернулли (при размывке "тупиковых" прорезей угол отражения струи близок к 180° [3], что соответствует модельной ситуации "мгновенной остановки струи") .2

Ро + и_ Р 2

р Р

где р—плотность массы материала струи. Откуда

Р = Ро +

р и

2

(13)

Отделение элементарного объема горной породы происходит по двум взаимно перпендикулярным криволинейным поверхностям (читай, площадкам скольжения). В связи с этим, формируемое давление по длине струи должно удовлетворять следующему соотношению:

Р >0 сж,

где осж - предел прочности разрушаемой породы на одноосное сжатие.

.2

Откуда с учетом (13) получим неравенство

р и ~~2

> 0сж _ р0

Следовательно, выражение для продольной скорости, соответствующей режиму разрушение породы в исследуемой точке сечения струи

и ° и(у)>

2(осж _ Р0)

или и

Р

(У )>

и

сж

где исж =

2(осж _ Ро )

Р

Очевидно, что на границе струи в породе выполняется равенство

и

(Угр )

и

(Угр У

С учетом (4) и (14), получаем ^

е 202

и

сж

(14)

Из (9) сле-

дует ^ = 42пат. Тогда, с учетом (8)

ь

пат

2

гр 2 =

и

сж ■

Откуда ¡Зрр = или, с учетом (12)

у гр

21п

т

и x

сж

^Í2пax

.Соответственно, угр = /Згр ax

т

21п-ax.

и x

сж

21п-

т 2гоио = 2л/2 x —

гоио

и с^ю x kо ^^

kо т \

т

1п-x.

и сж ^^

го

Из (1о) следует xо = ——, и с учетом (12)

kо а

32о

1

*0

г0 к0 т

т

ко2гоио 2ио Подставим в (15) для сечения на входе в породу

(16)

У гр0 _ г0

2л/2тоио к0 т ^

1п

т

или

исж х0

л/2

ко ^

хо

2у[2гоио ко т у

1п

т

(2и0)

т

исжт 2щ

1п

2и0

1.

и

сж

Откуда

к

II

21п

2и0

и

(17)

сж

Суммарный поток материала струи на срезе сопла

т0 _Р ^0и0 _РР где £0- площадь сечения сопла; р- плотность материала струи.

Тогда

_ то _ коРр го2ио _ к^УрР го

кт

ки 2у[2пгоио 2л/2

(18)

Формулы (12), (17) и (18) позволяют определить значения коэффициентов математической модели по известным данным технологических параметров процесса и физических характеристик обрабатываемой породы. Значение коэффициента т зависимости максимальной продольной скорости определяется по результатам экспериментальных исследований технологического процесса [4, 5].

Результаты вычислительного эксперимента по определению продольного профиля струи в соответствии с зависимостью (15) в породе частично приведены на рисунке.

Рис. 1 Профили гидравлического разрушения горных пород (гравий, значения исходного давления струи: 40, 45, 50, 55, 60 МПа)

Таким образом, модель позволяет определить основные характеристики струи (глубина проникновения струи в массив и её ширина), знание

которых обеспечит достоверный прогноз показателей ГСЦ (диаметр закрепляемого массива). Так, при цементации гравийного массива с коэффициентом сцепления С = 0,023 МПа, плотностью р = 1750 кг/м , и углом внутреннего трения р = 45° при давлении р0= 50 МПа максимальная ширина струи составит 0,01042 м, а диаметр закрепляемого массива 1,13 м (см. рис.).

Список литературы

1. Колесников В.В. Математическая модель формирования погружной высоконапорной струи/ В.В. Колесников, А.М. Лебедев, А.В. Лежебоков, А.Е. Пушкарев // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. C. 246 - 252.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй/ Г.Н. Абрамович. М.: Физматгиз, 1960. 715 с.

3. Бройд И.И. Струйная геотехнология/ И.И. Бройд. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2004. 448 с.

4. Колесников В.В. Экспериментальные исследования характеристик насадок / В.В.Колесников, А.В. Лежебоков, А.Е.Пушкарев // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. C. 211 -216.

5. K.A. Golovin.The results of research destruction hard rocks by extra high pressure water (статьянаанглийскомязыке) / 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. Hel-dinGdansk, Poland, on 13 - 15 September 2006. P. 153-159.

Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., pushkarev-agn@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лебедев Александр Михайлович, д-р техн. наук, проф., pushkarev-agn@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пушкарев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., pushkarev-agn@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELING OF THE JET WITHIN JET-GROUTING K.A. Golovin, A.M. Lebedev, A.E. Pushkarev

The analysis of a series of experiments. The values of the coefficients of the mathematical model.

Key words: jet-grouting; speed ofjet; forming of the jet; destroying of rocks.

Golovin Konstantin Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, pushka-rev-agn@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lebedev Aleksandr Mikhailovich, doctor of technical science, professor, pushkarev-agn@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pushkarev Aleksandr Evgenievich, doctor of technical science, professor, pushkarev-agn@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 622.271.64

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗЦОВ ДЛЯ СТРУГОВЫХ УСТАНОВОК

В.Г. Хачатурян

Создан экспериментальный стенд. Произведен анализ схем компоновки.

Ключевые слова: струг, гидромеханическое разрушение.

В настоящее время, достоверных запасов нефти и природного газа хватит примерно на 41 и 63 года соответственно. Поэтому, поиск новых решений, разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий по добыче энергетических полезных ископаемых и их переработки особенно актуальны.

Возможными путями решения этой задачи является освоение месторождений горючих сланцев, по запасам которых на постсоветском пространстве Россия находится на первом месте или развитие добычи угля, согласно прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), спрос на уголь в 2050 г. должен быть выше, чем сегодня.

Прогнозы российских аналитиков подтверждают общемировые тенденции и прогнозируют завершение к середине 2010-х, начавшееся с 1970-х годов приоритетное развитие нефтегазового сектора в стране, так называемая «газовая пауза». Это даёт основания чиновникам и экспертам говорить о подъёме в других направлениях. Это подтверждает и одобренная в апреле 2011 года правительством России Долгосрочная программа развития угольной промышленности, предполагающая 40-процентный рост добычи угля в стране к 2030 году [11].

Для того чтобы обеспечить экономически эффективную отработку этих запасов, необходима высокоэффективная технология выемки.

В настоящее время для разработки сланцевых месторождений часто используют технологические схемы, отработанные на добыче угля. Так, хорошо себя зарекомендовала, и широко используются подземная разработка пластов угля длинными очистными забоями. Существует две технологии выемки угля длинными забоями: комбайновая и струговая. При