Обоснование и выбор критерия сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления

УДК 622.522.23

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР КРИТЕРИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ РАЗРУШЕНИЮ ТОНКОЙ СТРУЕЙ ВОДЫ

ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

А.Б. Жабин, Ан.В. Поляков, В.Г. Хачатурян

Рассмотрено влияние различных показателей физико-механических свойств горючих сланцев, которые широко применяются при механическом и гидравлическом разрушении угля и горных пород, на глубину щели, нарезаемой в них тонкой струей воды высокого давления. Обоснование и выбор критерия сопротивляемости сланцев разрушению струей воды проводились при помощи метода парного корреляционного анализа.

Ключевые слова: горючие сланцы, глубина щели, пределы прочности на сжатие и растяжение, коэффициент корреляции, сопротивляемость разрушению.

При выборе критерия сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления была поставлена задача установления влияния различных показателей физико-механических свойств массива горючих сланцев на показатели процесса разрушения при нарезании в них врубовых щелей определенной глубины (рис. 1) [1,2]. При этом имелись в виду не общая оценка сопротивляемости горючих сланцев разрушению и не изыскание нового критерия сопротивляемости, а уточненная оценка сопротивляемости массива горючих сланцев разрушению тонкой

струей воды высокого давления.

За основные показатели физико-механических свойств разрушаемого массива горючих сланцев были приняты характеристики угля и пород, нашедшие широкое применение в качестве критериев при гидравлическом и механическом способе разрушения и представленные в таблице [1 - 11]. Временные сопротивления одноосному сжатию и растяжению (пределы прочности на сжатие и растяжение) определялись по методу, предложенному М.И. Койфманом и С.Е. Чирковым [12].

Рис. 1. Принципиальная схема нарезания врубовой щели одиночной струей воды высокого давления:1 - образец горючего сланца; 2 - струсформирующая насадка диаметром с10 и давлением Р0; Вщ - ширина щели; Уп - скорость перемещения струи

1

Физико-механические свойства горючих сланцев

№ Временное Условный Коэффициент Дробимость

п/п сопротивление предел крепости по [3]

одноосному одноосному прочности Л.И. Барону [3]

сжатию асж, растяжению [2], МПа

МПа ор, МПа

11,1 0,8

1 1,72 1,6 18,9

13,8 17,0

16,3 1,3

2 2,66 2,1 15,3

18,3 15,3

24,6 2,7

3 4,71 2,9 11,3

9,6 18,1

32,2 3,4

4 6,04 3,4 9,9

19,2 16,4

62,3 4,9

5 10,09 4,9 7,4

16,8 11,5

Примечание. В знаменателе приведены коэффициенты вариации показателей физико-механических свойств, %.

Экспериментальные исследования проводились при разрушении горючих сланцев струеформирующей насадкой диаметром d0 = 2,0 мм при давлении воды Ро = 15 МПа и скорости перемещения у„ = 0,35 м/с.

Для экспериментального установления критерия сопротивляемости массива горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления был использован метод парного корреляционного анализа, заключающийся в отыскании по экспериментальным данным взаимосвязи глубины щели, прорезаемой струей воды, с каждым из показателей свойств в отдельности [1,2, 4,5]. При сопоставлении глубины щели с каждой из характеристик свойств горючих сланцев для выявления наличия корреляционной связи и оценки степени ее тесноты и устойчивости предусматривалось исследовать несколько вариантов корреляционной связи.

Рассмотрены пять вариантов корреляционной связи: у = А + Вх;

у = А + Вх + Сх2; у = АеВх; у = АхВ; у = А 1п(о) + В, где А, В и С - коэффициенты, зависящие от параметров струи и режимов разрушения.

В качестве критерия устойчивости связи был принят индекс корреляции Я, а степень тесноты связи оценивалась по уровню коэффициента вариации, который подсчитывался как среднее квадратическое относительных отклонений фактических (замеренных экспериментально) значений глубины щели Нщ от расчетных.

Варианты парных корреляционных связей между глубиной прорезаемой щели Нщ и показателями физико-механических свойств горючих сланцев асж, ор, Яу, Умакс и/Б представлены на рис. 2 - 6 соответственно.

Анализ зависимостей, показанных на рис. 2, свидетельствует о том, что между глубиной прорезаемой щели и пределом прочности на одноосное сжатие существует тесная парная корреляционная связь (индекс корреляции Я = 0,74 - 0,99). При этом с увеличением осж глубина щели уменьшается для всех рассмотренных вариантов корреляционных связей. Видно, что для варианта корреляционной связи в виде линейной функции (см. рис. 2, б) коэффициент корреляции самый низкий и равен 0,74, а для варианта в виде степенной функции (см. рис. 2, д) значение Я2 самое высокое и равное 0,99. Значения коэффициента вариации с уменьшением тесноты связи увеличиваются, а с ее повышением, наоборот, уменьшаются. На рис. 2 видно, что наиболее предпочтительная корреляционная связь между Нщ и асж обнаруживается при аппроксимации экспериментальных данных степенной зависимостью (см. рис. 2, д). Похожая картина наблюдается и при анализе зависимостей глубины щели от предела прочности на растяжение (рис. 3) и условного предела прочности (рис. 4). Здесь так же, как и следовало ожидать, с увеличением прочностных свойств горючих сланцев глубина прорезаемой щели уменьшается.

Индексы корреляции для предела прочности на растяжение находятся в пределах от 0,92 до 0,996 (наибольший индекс получен для логарифмической зависимости, см. рис. 3, в), а для условного предела прочности - от 0,84 до 0,996 (наибольший индекс обнаружен для параболической зависимости, см. рис. 4, г).

Анализируя совместно экспериментальные данные, представленные на рис. 2 - 4 и, в частности рис. 2, д; 3, в и 4, г, необходимо отметить следующее. Судя по значениям индексов корреляции для показателей асж, ар и Яу, а они, как было установлено, достаточно высоки, можно в качестве критерия оценки сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления принять любой из этих показателей.

Они в той или иной степени (для осж и Яу в большей, а для ор в меньшей степени) применяются в качестве критериев оценки сопротивляемости при разрушении различных углей и горных пород высоконапорными струями воды [1, 2, 4, 5].

Анализируя совместно экспериментальные данные, представленные на рис. 2 - 4 и, в частности рис. 2, д; 3, в и 4, г, необходимо отметить следующее. Судя по значениям индексов корреляции для показателей асж, ар и Яу, а они, как было установлено, достаточно высоки, можно в качестве критерия оценки сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления принять любой из этих показателей.

Они в той или иной степени (для осж и Яу в большей, а для ор в меньшей степени) применяются в качестве критериев оценки сопротивляемости при разрушении различных углей и горных пород высоконапорными струями воды [1, 2, 4, 5].

Однако самым распространенным и надежным среди этих показателей как у нас в России, так и за рубежом является предел прочности на одноосное сжатие и для его определения существует множество способов [12, 13]. Поэтому в данном случае правильным будет остановиться на этом показателе. Прежде чем обратиться к зависимостям глубины прорезаемой щели от показателя дробимости Умакс и коэффициента крепости /Б, представленным на рис. 5 и 6, предварительно остановимся на коэффициенте крепости. В данном случае речь идет об осредненном коэффициенте крепости, предложенном Л.И. Бароном [3] и определяемом по формуле, представленной в таблице, который ничего общего не имеет с коэффициентом крепости по толчению, предложенным М.М. Прото-дьяконовым, который определяется толчением проб с помощью прибора ПОК (прибор определения крепости) [3].

Эти коэффициенты широко применялись в качестве критериев оценки сопротивляемости горных пород механическому разрушению, а коэффициент крепости по толчению - еще и гидравлическому разрушению углей. Коэффициент крепости по Л.И. Барону используется и в настоящее время, в то время как коэффициент крепости по толчению - практически нет. Что касается показателя дробимости, то он тоже предназначен для механического разрушения горных пород. Необходимо отметить, что оба этих показателя определялись косвенными методами при помощи корреляционных зависимостей (см. табл.) в отличие от пределов прочности на одноосное сжатие и растяжение.

Анализ графиков (см. рис. 5 и 6) показывает, что с увеличением Умакс и/Б глубина щели также снижается. При этом между глубиной прорезаемой щели и показателями Умакс и /Б также наблюдается тесная корреляционная связь для всех рассмотренных вариантов от 0,88 (см. рис. 5, б) до 0,997 (см. рис. 5, г) и 0,998 (см. рис. 6, г). Такой результат свидетельствует о том, что и Умакс, и /Б можно принимать в качестве критериев оценки сопротивляемости разрушению горючих сланцев тонкой струей воды высокого давления. Однако если сравнивать эти показатели с пределом прочности на одноосное сжатие, то предпочтение следует отдать последнему, поскольку он был определен экспериментально и с этой точки зрения для установления его связи с глубиной прорезаемой щели в горючих сланцах является более надежным.

Таким образом, на основании результатов проведенных экспериментальных исследований в качестве критерия оценки сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления рекомендуется предел прочности на одноосное сжатие (см. рис. 2, д).

Список литературы

1. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986. 143 с.

2. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП - ИГД им. А. А. Скочинского, 2004. 645 с.

3. Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. М.: Наука, 1977. 321 с.

4. Гидромеханическое разрушение горных пород/В .А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.

5. Гидроабразивное резание горных пород / В. А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. М.: Изд-во ММГУ, 2003. 279 с.

6. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов / Н.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во ММГУ, 2003. 293 с.

7. Крапивин М.Г. Горные инструменты. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1979. 263 с.

8. Леванковский И. А. Научные основы создания высокоэффективных инструментов для разрушения горных пород и породосодержащих композитов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 2000. 35 с.

9. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение агрегированными инструментами/ Л.И. Барон [и др.]. М.: Наука, 1977. 160 с.

10. Метод расчета усилий, действующих на поворотные резцы при разрушении горных пород /М.: НПЦ «ПИГМА-ЦЕНТР» АГН РФ, 1998. 5 с.

11. Кантович Л.И., Мерзляков В.Г. Горные машины и оборудование для подземных горных работ. М.: Изд-во МГГУ, 2014. 408 с.

12. Механические свойства горных пород / под. общ. ред. М.М. Протодьяконова. М.: Изд-во Академии наук СССР. 1963, 170 с.

13. ГОСТ 21153.2-84. Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.

Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhahin.l.ula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., Pokyakoff-an@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

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

SUBSTANTIATING AND CHOOSE RESISTANCE CRITERION OF PYROSHALES FOR BREAKING BY THIN WATER JET OF HIGH PRESSURE

A.B. Zhabin, A.V. Polyakov, W.H. Khachaturian

The influence of various physico-mechanicalproperties of oil shale, which are widely used in mechanical and hydraulic breaking of coal and rock, to the depth of the slot, cut with thin high pressure water jet. The rationale and the choice of the criterion of resistance to fracture shale water jet produced by the method of pair correlation analysis.

Key words: oil shale, depth of cracks, the ultimate strength in compression and tension, the correlation coefficient, the resistance to destruction.

Reference

1. Nikonov G.P., Kuz'mich I.A., Gol'din Ju.A. Razrushenie gor-nyh porod strujami vody vysokogo davlenija. M.: Nedra, 1986. 143 s.

2. Merzljakov V.G., Baftalovskij V.E. Fiziko-tehnicheskie osno-vy gidrostrujnyh tehnologij v gornom proizvodstve. M.: NNCGP - IGD im. A.A. Skochinskogo, 2004. 645 s.

3. Baron L.I. Gorno-tehnologicheskoe porodovedenie. M.: Nauka, 1977. 321 s.

4. Gidromehanicheskoe razrushenie gornyh porod/V.A. Brenner, A.B. Zhabin, A.E. Pushkarev, M M. Shhegolevskij. M.: Izd-vo AGN, 2000. 343 s.

5. Gidroabrazivnoe rezanie gornyh porod/ V.A. Brenner, A.B. Zhabin, A.E. Pushkarev, MM. Shhegolevskij. M.: Izd-vo MMGU, 2003. 279 s.

6. Raschet i proektirovanie gidromehanicheskih ispolnitel'nyh organov prohod-cheskih kombajnov/N.M. Kachurin [i dr.]// M.: Izd-vo MMGU, 2003. 293 s.

7. Krapivin M.G. Gornye instrumenty. Izd. 2-e, pererab. i dop. M.,Nedra, 1979. 263

s.

8. Levankovskij I.A. Nauchnye osnovy sozdanija vysokojeffek-tivnyh instrumentov dlja razrushenija gornyh porod i porodosoder-zhashhih kompozitov. Avtoref. dis. dokt. tehn. nauk: 05.05.06. Moskva, 2000. 35 s.

9. Razrushenie gornyh porod prohodcheskimi kombajnami. Raz-rushenie agregiro-vannymi instrumentami/ L.I. Baron [i dr.]// Nauka, 1977. 160s.

10. Metod rascheta usilij, dejstvujushhih na povorotnye rezcy pri razrushenii gornyh porod /M.: NPC «PIGMA-CENTR» AGN RF, 1998. 5s.

11. Kantovich L.I., Merzljakov V.G. Gornye mashiny i oborudo-vanie dlja podzem-nyh gornyh rabot. M.: Izd-vo MGGU, 2014. 408 s.

12. Mehanicheskie svojstva gornyh porod / pod. obshh. red. M.M. Protod'jakonova. M.: Izd-vo Akademii nauk SSSR. 1963, 170 s.

13. GOST 21153.2-84 «Porody gornye. Metody opredelenija predela prochnosti pri odnoosnom szhatii».

Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, Zha-bin.tula@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, Polyakoff-an@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khachaturian William Henrihovich, postgraduate, wil71@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University