CC BY
113
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.236
РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД СТРУЯМИ ВОДЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, А.А. Маликов, А.В. Поляков
Разработана экспериментальная установка, оснащенная преобразователем (повысителем) сверхвысокого давления на базе гидравлического двухступенчатого мультипликатора. Представлены результаты экспериментальных исследований по разрушению горных пород струями воды сверхвысокого давления.
Ключевые слова: струя воды, разрушение, горные породы, супервысокое давление, проходческий комбайн
Применение энергии воды сверхвысокого давления (до 600 МПа и выше) на сегодняшний день является оправданным и востребованным во многих отраслях промышленности. Например, в горной отрасли применение энергии струй воды сверхвысокого давления в сочетании с механическим инструментом позволит расширить область эффективного применения проходческих комбайнов на более крепкие и абразивные породы [1].
Однако для создания струй воды сверхвысокого давления требуется соответствующее высоконапорное оборудование. При этом с точки зрения встраивания его в исполнительные органы проходческих комбайнов наиболее приемлемыми являются преобразователи давления мультиплика-торного типа [2].
Для достижения уровня давления выше 400 МПа возможны следующие технические решения. Поскольку давление воды на выходе из стру-еформирующей насадки определяется коэффициентом мультипликации и входным гидравлическим давлением (давлением в поршневой полости), то, повышая эти параметры, можно достичь требуемого уровня давления. Увеличение коэффициента мультипликации хотя и позволяет выйти на требуемый уровень давления воды, но приводит к резкому увеличению габаритных размеров преобразователя давления, а это в свою очередь накла-
дывает ограничения по встраиванию его в режущую коронку (ограничения, связанные непосредственно с геометрией коронки и ограничения, обусловленные размерами стрелы исполнительного органа, на котором и размещается преобразователь давления). При повышении давления жидкости, подаваемой в поршневую полость мультипликатора, данный фактор менее ощутим.
При этом использование мультипликатора для подачи жидкости под давлением в поршневую полость преобразователя сверхвысокого давления позволит произвести более рациональное разделение общего коэффициента мультипликации между ними и снизить габаритные размеры всего гидравлического оборудования.
Таким образом, для достижения уровня давления воды свыше 400 МПа представляется целесообразным использование схемы, представленной на рис. 1. При этом преобразователь давления первой ступени сжатия может располагаться как автономно, так и на раме комбайна, а преобразователь давления второй ступени сжатия - встраиваться в исполнительный орган проходческого комбайна.
Мул »ж дал шм ор первой ступени ежам ия
\/////
.....1
V////
Ф-
Мул ъшипликашор ем ¿рой ступени еж амия
\////У
Вода сверхвысокого давления
} иодпимохный насос низкого давления
Рис. 1. Схема преобразователя давления двухступенчатого
сжатия воды
Для отработки параметров гидросистемы преобразователя давления многоступенчатого сжатия и его составных элементов была разработана и изготовлена экспериментальная установка, представленная на рис. 2.
Модуль водоподготовки
- 380 В Ф1
! Приво дной н асо сн ы й бл о к
I „ ЧИП В
' М Н2 / МН3
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
В результате проведенных экспериментальных исследований установлена работоспособность установки для получения сверхвысокого давления по способу двухступенчатого сжатия. При этом в конструкции пре-
образователя давления второй ступени сжатия использовалось бесконтактное уплотнение, позволившее свести утечки рабочей жидкости до минимума, составившего 10 % от производительности мультипликатора.
При этом обоснование гидравлических параметров мультипликатора преобразователя сверхвысокого давления, встраиваемого в режущую коронку проходческого комбайна, необходимо производить с учетом выявленных закономерностей взаимодействия струи воды сверхвысокого давления с массивом при следующих рациональных параметрах процесса (таблица).
Основные технические характеристики экспериментальной
установки
Мощность приводного электродвигателя, кВт ....................................45
Рабочая жидкость в силовой гидросистеме .....Минеральное масло ТП22
Максимальное давление масла, МПа ....................................32
Давление, МПа:
- в первой ступени ..............................0 - 120
- во второй ступени ..............................0 - 500
Тип преобразователя давления: гидравлический
- первая ступень мультипликатор -вторая ступень
Общий коэффициент мультипликации ....................................20
Производительность, л /мин .................................15
Параметры Диапазон изменения
параметров
Давление воды Р0, МПа 100... 500
Диаметр отверстия струеформирующей
7 0,2.0,8
насадки и 0, мм
Расстояние между срезом струеформирующей насадки и поверхностью горной поро- 2.200 ды 10, мм
Длина цилиндрического участка проточной
части струеформирующей насадки Iц, мм; 1" 5
Предел прочности горной породы на одноосное сжатие <Усж, МПа , " ,
Количество проходов струи по щели 1... 10
Скорость перемещения образца горной породы относительно струи Зц, мм/с "
С этой целью было проведено несколько серий экспериментальных исследований по установлению основных закономерностей процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления.
Анализ экспериментальных данных с использованием положений теории подобия и размерностей, а также методов теории вероятностей и математической статистики позволил получить в безразмерных параметрах расчетную зависимость для определения глубины щели, нарезаемой струей воды сверхвысокого давления, которая имеет следующий вид:
h
— = 0,0041-
d0
Г \0,97
P
V сж у
s 4-0,44 , ч 0,75
l _í
l
V ц У
ÍL
V» П У
(1)
Индекс корреляции для выражения (1) составил г = 0,88 , критерий Фишера F = 177,8. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (1) при 5 % уровне значимости составит F005 = 8,53, что подтверждает
адекватность полученной расчетной зависимости экспериментальным данным. Значения коэффициентов в уравнении (1) выдерживают проверку на значимость по критерию Стьюдента.
Таким образом, разработанный и изготовленный преобразователь сверхвысокого давления на основе многоступенчатого сжатия рабочей жидкости позволил установить работоспособность такой схемы и элементов как гидросистемы в целом, так и элементов преобразователя давления. Полученная на основе обработки экспериментальных данных процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления расчетная зависимость (1) может быть использована для расчета глубины щели при заданных гидравлических характеристик преобразователя сверхвысокого давления и режимных параметрах процесса, а также для обоснования его гидравлических характеристик при заданной глубине щели.
Список литературы
1. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород/ В.А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.
2. Бреннер В.А., Поляков А.В. Разработка гидроструйных систем сверхвысокого давления на базе преобразователей давления мультиплика-торного типа // Научно-техническое творчество студентов вузов: Материалы Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2005». Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. С. 139 - 144.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пушкарев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., galina stasamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ecology@ tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Владимирович, канд. техн. наук, galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ROCK DESTRUCTION PROCESS WITH USING SUPERHIGH-PRESSURE WATER JETS A.B. Gabin, A.E. Pushkarev, A.A. Malikov, A.V.Polyakov
A test installation has been developed equipped with a superhigh-pressure source based on a double-stage hydraulic pressure intensifier. Results of the research are presented on rock destruction with superhigh-pressure water jets.
Key words: sheet of water, destruction, rocks, super high pressure, tunneling machine.
Gabin Alexander Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, ecolo-gy@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Pushkarev Alexander Evgenievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, galina_ stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Malikov Andrei Andreevich, Doctor of Technical Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrei Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, galinastas @,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.44
ПЕРЕНОС РАДОНА В ВЫРАБОТКАХ ОЧИСТНОГО УЧАСТКА И РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА ПО РАДОНОВОМУ ФАКТОРУ
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Мпеко Нсендо Арди
Показано, что целесообразно рассматривать одномерную конвективную диффузию, так как диффузионный перенос радона воздухом в выработках очистного участка происходит в стационарном режиме. Как правило, фактор радоновыделений является превалирующим фактором при стабильно атмосферном давлении. При этом количество воздуха по этому фактору на 20 ... 30 % превышает количество воздуха, необходимое для разбавления углекислого газа до предельно допустимого значения.
Ключевые слова: радон, воздух, турбулентная диффузия, количество воздуха, математическая модель.
Диффузионный перенос радона воздухом в выработках очистного участка происходит в стационарном режиме. Учитывая соотношения по-
