CC BY
77
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 226-231
: НАУКИ о ЗЕМЛЕ :
УДК 622.236.732
Разработка метода расчета параметров
и и *
процесса гидроструинои цементации *
Е.В. Белякова, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев
Аннотация. Одной из наиболее перспективных технологий закрепления слабых неустойчивых пород является технология гидроструйной цементации. Представленный метод позволяет рассчитывать параметры процесса гидроструйной цементации горных пород.
Ключевые слова: гидроструйная цементация горных пород, слабые неустойчивые породы, закрепление массива.
В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительстве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т. д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочность и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды. Общими недостаткам традиционных способов закрепления неустойчивых горных пород помимо, главным образом, низкой надежности и производительности являются также значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы.
Между тем, 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 заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в породный 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
* Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проект № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (проект № 02.740.11.0319).
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.
К преимуществам технологии ГСЦ по сравнению с известными технологиями упрочнения неустойчивых горных пород можно отнести следующие:
— обеспечение долговременного характера закрепления массива после снятия закрепляющего воздействия по сравнению с самым распространенным способом — замораживанием;
— высокая скорость выполнения работ по закреплению массива;
— принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных подземных условиях (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь цементировочный комплекс может располагаться на некотором удалении, например, в капитальной горной выработке);
— возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;
— отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);
— чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно — трудозатраты, количество материалов и стоимость работ) [1].
Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в последнее десятилетие способ ГСЦ горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру, однако практически минуя при этом горную промышленность.
Поэтому было принято решение о проведении широких комплексных исследований, направленных на обоснование параметров оборудования для ГСЦ неустойчивых пород.
Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ горных пород, являются (рис.):
— конструктивные: диаметр пилотной скважины ^о, диаметр установки насадки Он, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку р, диаметр отверстия струеформируещей насадки ¿о;
— режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения буровой колонны V, частота вращения буровой колонны п, давление водоцементной суспензии Р;
— физико-технические свойства горных пород.
— конструктивные: коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку р, диаметр отверстия струеформиру-ещей насадки ¿о;
— режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения прокалывающего става V, частота вращения прокалывающего става п, давление водоцементной суспензии Р;
— физико-технические свойства пород.
5 3 2 4 1
Схема ГСЦ горных пород: 1 — прокалывающий став; 2 — струеформирующая насадка; 3 — водоцементная суспензионная струя; 4 — расширитель; 5 — породобетон; 6 — закрепляемый исходный массив; Он — диаметр установки насадки, м; О — диаметр закрепляемого массива, м; р — плотность водоцементной суспензии, кг/м3; ^ — коэффициент расхода через струеформирующую насадку; ¿о — диаметр струеформируещей насадки, м; Р — давление цементного раствора, МПа; V — скорость перемещения прокалывающего става, м/с; п — частота вращения прокалывающего става, с-1; С — коэффициент сцепления, МПа
Для установления закономерностей процесса ГСЦ горных пород и проверки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования. Для этого была разработана специальная установка с источником водоцементной суспензии высокого давления до 60 МПа, включающим в себя цементировочный насос, миксерную станцию и силос для хранения цемента. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для ГСЦ горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной р = 2000 кг/см3. Образцы горных пород, в качестве которых использовались
глина, суглинок, супесь, гравий и песок, с различными физико-техническими свойствами в специальных цилиндрических контейнерах крепились на столе установки. Стол приводился во вращение от электродвигателя при помощи планетарного редуктора и цепной передачи. Над поверхностью образа породы вдоль оси его вращения располагалась струеформирующая насадка с возможностью контролируемого перемещения в радиальном направлении. Для регистрации давления водоцементной суспензии стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманометра и измерительной станции на базе ПК. В исследованиях использовались струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода р = 0, 75.
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 горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.
Очевидно, что диаметр закрепляемого массива В зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения буровой колонны V, давление водоцементной суспензии Р, частота вращения буровой колонны п, диаметр отверстия струеформирующей насадки ¿о, диаметр установки насадки Вн, коэффициент сцепления С.
Кроме того, на процесс ГСЦ также оказывают влияние коэффициент расхода суспензии через насадку р, плотность водоцементной суспензии р и диаметр пилотной скважины Во.
Таким образом, зависимость между диаметром закрепляемого массива и параметрами ГСЦ горных пород можно представить в виде:
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, Во и р. С учетом постоянства этих факторов выражение (1) будет иметь следующий вид:
В таблице указаны диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ горных пород.
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра
В = ¡г (Во, р, р, ¿о, Р, V, п, С, Вн).
(1)
В = ¡2 (ёо,Р,^п,С,Вн).
(2)
Диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ
Основные факторы Диапазон изменения
Давление водоцементной суспензии Р, МПа 40-60
Диаметр струеформирующей насадки ¿о, м 0,002-0,003
Скорость подъема прокалывающего става V, м/с 0,0017-0,0083
Частота вращения прокалывающего става п, с-1 0,167-0,500
Коэффициент сцепления пород С, МПа 0,006-0,064
Диаметр установки насадки Он, м 0,1-0,5
закрепляемого массива:
Л)37 р 1;ц п°,94
В = 14 24 —___________Н__ (3)
В 14’ 24 Vо,35по,4Со,25 . (3)
Индекс корреляции для данного выражения составил К = 0, 91, критерий Фишера ^ = 148, 2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (3) при 5% уровне значимости составляет ^о,о5 = 3, 96, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил Квар = 15, 7, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Таким образом, полученная обобщенная формула расчета показателя процесса ГСЦ горных пород позволяет разрабатывать инженерные методики расчета конструктивных и режимных параметров оборудования, предназначенного для реализации ГСЦ горных пород.
Список литературы
1. Бреннер В.А., Головин Е.А., Пушкарев А.Е. Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации. Тула: ТулГУ, 2007. 206 с.
Белякова Елена Владимировна, аспирант, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Головин Константин Александрович (Kagolovin@inbox.ru), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Пушкарев Александр Евгеньевич, д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Basis of calculated method of techniques jet-grouting parameters
E.V. Belyakova, K.A. Golovin, A.E. Pushkarev
Abstract. Jet-grouting is progressive technology of fixing of rock. This method leaves to calculate techniques parameters of mine rock.
Keywords : jet-grouting of mine rock, soft rocks, fixing of rock massive.
Belyakova Elena, postgraduate student, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Golovin Konstantin (Kagolovin@inbox.ru), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Pushkarev Alexander, doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Поступила 27.10.2009
