Технические средства для создания направленных колебаний в массиве горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.235

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Михаил Николаевич Цупов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер НИЦ, тел. (383)217-05-22, e-mail: [email protected]

Роман Александрович Тюгаев

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), 630008, Россия, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, студент-магистрант (1-й курс), тел. (999)450-91-29, e-mail: [email protected]

Андрей Александрович Сергеев

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), 630008, Россия, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, студент-магистрант (1-й курс), тел. (923)125-12-28, e-mail: [email protected]

Арсений Валерьевич Козлов

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), 630008, Россия, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, студент-бакалавр, тел. (953)875-97-95, e-mail: [email protected]

Рассмотрены различные способы создания виброисточников направленных колебаний и их конструктивные особенности. Показаны перспективные области их применения для горной промышленности из подземных выработок.

Ключевые слова: виброисточник, направленные колебания, выработка, дегазация.

DEVICE FOR PRODUCING DIRECTIONAL VIBRATION IN ROCK MASS

Mikhail N. Tsupov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, R&D Center, tel. (383)217-05-22, e-mail: [email protected]

Roman A. Tyugaev

Novosibirsk State Architecture and Construction University, 630008, Russia, Novosibirsk, 113 Leningradskaya Str., Student-Candidate for a Master's Degree, tel. (999)450-91-29, e-mail: [email protected]

Andrei A. Sergeev

Novosibirsk State Architecture and Construction University, 630008, Russia, Novosibirsk, 113 Leningradskaya Str., Student-Candidate for a Master's Degree, tel. (923)125-1228, e-mail: [email protected]

Arseny V. Kozlov

Novosibirsk State Architecture and Construction University, 630008, Russia, Novosibirsk, 113 Leningradskaya Str., Student-Holder of a Bachelor's Degree, tel. (953)875-97-95, e-mail: [email protected]

The paper gives a review of engineering methods for directional vibration sources and their design features. The authors identify promising fields of use of the devices in underground mining.

Key words: vibration source, directional vibration, underground excavation, degassing.

Волновое воздействие на массив горных пород построено на большом многообразии методов генерации колебаний, практическое распространение из которых получили [1]:

• центробежные системы, основанные на вращении массы со смещённым центром тяжести;

• за счёт периодического нагнетания жидкости в камеру и смещения поршня относительно цилиндра;

• механический удар;

• резонансные колебания жидкости и газового объёма;

• прерывание потока жидкости.

Применяемые источники различаются по физическому принципу генерации волнового поля, по параметрам воздействия, в том числе по частотному диапазону, режиму, интенсивности и длительности воздействия. Рассмотрим наиболее распространённые источники и конкретные примеры реализации волновых технологий.

1. Дебалансные виброисточники, в которых колебания возникают вследствие вращения массы со смещенным центром тяжести. В качестве привода деба-ланса используется электродвигатель. В этих источниках сила воздействия изменяется в зависимости от квадрата частоты. Институтом горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН разработаны источники, применяемые для вибровоздействия с дневной поверхности, имеющие силу воздействия до 600 кН, рабочие частоты от 7 до 16 Гц.

2. Гидравлические виброисточники, генерирующие колебания за счет периодического нагнетания жидкости в камеру и смещения поршня относительно цилиндра, которое частично происходит за счет упругих деформаций грунта, что и приводит к возбуждению сейсмических волн. Преимущество данных источников состоит в том, что сила воздействия не зависит от частоты. Примером являются разведочные геофизические вибраторы и стационарные виброисточники СВ-100/20, созданные лабораторией "Резон", способные развивать силу воздействия до 1 MH в диапазоне частот от 0 до 20 Гц. Работы таким источником проведены ООО "Новая геология" в 2003 г. на Долговском месторождении в ОАО "Оренбургнефть" НК ТНК-БП, где дополнительно добыто около 2 тыс. т нефти.

3. Механические (ударные) источники, использующие многократное поднятие груза с последующим нанесением ударов. Энергия воздействия, как и в гидравлических источниках, не зависит от частоты.

Поскольку затухание сейсмических волн в земной коре растёт с увеличением частоты, низкочастотный генератор оказывает воздействие на большие расстояния, чем высокочастотный источник той же мощности.

В Институте горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН велись разработки катково-маятникового виброисточника [2], который имел широкие перспективы применения в горной отрасли, а именно использование его для создания сейсмических колебаний из подземных выработок.

• Источник удобен в транспортировке, быстро монтируется и демонтируется, что является необходимым условием для доставки его по подземным выработкам.

• В отличие от центробежных виброисточников не требует пригруза, поскольку вертикальная составляющая возмущающей силы всегда направлена вниз (рис. 3).

Инерционная масса виброисточника может набираться из подручных материалов (песок, горная порода, вода) путем заполнения ими грузовой емко-

• Имеет возможность плавной и дискретной регулировки частоты.

• Источник обладает высокой надежностью, т.к. не содержит подшипниковых узлов (рис. 2).

• Источник может создавать горизонтальную возбуждающую силу от 0 до 100% от вертикальной, что особенно актуально для воздействия на забой угольного массива (рис. 3, 4).

Рис. 4. Перемещение центра масс источника

В зависимости от соотношения радиуса опоры качения и радиуса центра масс источник может работать в различных режимах, создавать преимущественно горизонтальные или вертикальные колебания, что особенно актуально для воздействия на забой угольного массива.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. В. Савченко Сравнительный анализ волновых методов увеличения нефтеотдачи // ФТПРПИ. - 2006. - №3

2. В. И. Клишин, Л. В. Зворыгин, А. В. Лебедев, А. В. Савченко Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений // Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. - 524 с., илл.

© М. Н. Цупов, Р. А. Тюгаев, А. А. Сергеев, А. В. Козлов, 2016