Методика оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

УДК 622.023:620.1.05

Е.В. Пугачёв, В.А. Корнеев, П.А. Корнеев

Сибирский государственный индустриальный университет

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТЯХ СКВАЖИНЫ, ПРОБУРЕННОЙ ИЗ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Обеспечение безопасных условий труда при проведении подземной разработки месторождений полезных ископаемых - одна из ключевых задач, решаемых отечественной горнодобывающей промышленностью. Особую актуальность приобретает эта задача для Кузбасса - основного угольного региона страны.

Практика ведения горных работ в Кемеровской области, обеспечение роста добычи из очистных забоев и скорости проведения подготовительных выработок свидетельствуют о том, что повышение надежности определения физико-механических свойств вмещающих пород является одним из основных условий безопасного и высокопроизводительного труда.

Существующая в настоящее время отечественная приборная база геофизических исследований морально и физически устарела, а использование ее зарубежных аналогов препятствует инновационному развитию региона, а также приводит к зависимости горнодобывающих предприятий Кузбасса от мировой экономической и политической конъюнктуры.

Одним из перспективных направлений, обеспечивающих безопасные условия труда на

шахтах Кузбасса, является использование разработанной и предложенной коллективом кафедры электромеханики СибГИУ методики оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки.

Разработанные методика, устройство для ее реализации и программное обеспечение позволяют посредством авторской математической модели напряженно-деформированного состояния горных пород определять свойства массива по результатам интерпретации диаграммы вдавливания индентора в стенку пробуренной в нем скважины.

Вдавливание индентора в стенку скважины при проведении исследований массива горных пород осуществляется устройством «Проч-ностномер ПСШ-1», которое конструктивно состоит из гидроцилиндра 1, насоса 2, рукава высокого давления 3, системы сбора данных 4, датчика давления 5 и тензометрического датчика, взаимодействующего с индентором прочностномера (рис. 1).

При проведении измерений устройство осуществляет запись диаграммы вдавливания

Рис. 1. Устройство «Прочностномер ПСШ-1»

индентора (рис. 2) на карту памяти, расположенную в системе сбора данных.

Интерпретация свойств массива горных пород по диаграмме вдавливания начинается с выделения этапов разрушения горной породы, отмеченных областями с резким падением давления в гидравлической системе прибора, а также определения усилий на инденторе и глубины его вдавливания на каждом этапе разрушения. Далее посредством разработанного пакета программ «Индентирование» V 1.0 [1] осуществляется математическое моделирование процесса вдавливания индентора в стенку скважины с расчетом предела прочности при одноосном сжатии и модуля упругости разрушаемой горной породы.

Тестирование устройства «Прочностномер ПСШ-1» и пакета программ «Индентирование» V 1.0 осуществлялось посредством проведения натурного эксперимента по вдавливанию ин-дентора в стенку скважины в блоке, изготовленном из мелкозернистого бетона с заранее известными прочностными и деформационными свойствами. Для изготовления бетонного блока использовалась специальная опалубка (рис. 3). На рис. 3 цифрами обозначены: 1 - бетонный блок; 2 - распалубленная опалубка; 3 -трубный элемент, имитирующий скважину; 4 -специальное приспособление для извлечения из блока трубного элемента.

По завершению тестирования устройства «Прочностномер ПСШ-1» и пакета программ «Индентирование» V 1.0 проведена апробация разработанной методики в лабораторных условиях на образце мрамора с линейными размерами 500 х 150 х 200 мм, которая показала хорошие результаты.

Особенностью предложенной методики и устройства для ее реализации является возможность проведения исследований в широ-

20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000

£

Ш-й этап разрушения 11-й этап разрушения

0

4,0

_ 1-й этап разрушения

Рис. 3. Блок с имитацией скважины

ком диапазоне горных пород по крепости, включая особо крепкие горные породы, за счет применения оригинальной запатентованной авторской конструкции гидроцилиндра [2]. Гидроцилиндр устройства (рис. 4) представляет собой конструкцию с тремя концентрическими полостями: входной А, кольцевой В и напорной С. Бесштоковый поршень 1 своими цилиндрическими поверхностями В и Е взаимодействует с поверхностью входной А и кольцевой В полостей соответственно. В напорной полости С помещен нагрузочный поршень 2 со штоком 3, который оснащен ин-дентором 4, взаимодействующим с горной породой 5. Кольцевая полость В имеет гидравлическую связь с напорной полостью С через канал 6. Каналы 7 и 8 предназначены для подвода рабочей жидкости во входную полость А гидроцилиндра и в штоковое пространство напорной полости С.

Р 4 з

4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Перемещение индентора, мм

8,0

Рис. 2. Диаграмма вдавливания индентора в стенку скважины, полученная с карты памяти прочностномера ПСШ-1

Рис. 4. Гидроцилиндр устройства «Прочностномер ПСШ-1»

5

Гидравлический цилиндр прибора позволяет достигать усиления нагрузки, с которой осуществляется воздействие индентора на горную породу, по сравнению с давлением подводимой жидкости в соответствии со следующей зависимостью:

где Р - усилие на инденторе; q0 - давление подводимой жидкости; 51 и S2 - площадь сечения бесштокового и нагрузочного поршней в гидравлическом цилиндре.

Из приведенного соотношения видно, что при стремлении площади S2 к площади S1 усилие Р теоретически может достигать бесконечных величин, что позволяет изменением площади S2 достигнуть на инденторе усилий, гарантированно достаточных для внедрения индентора во все практически возможные для исследования особо крепкие горные породы. Спроектированная конструкция гидравлического цилиндра также может найти применение в различных системах гидравлического привода в условиях ограниченного рабочего пространства.

Разработанный пакет программ для ЭВМ «Индентирование» v 1.0, позволяющий осуществлять математическое моделирование процесса вдавливания индентора в стенку скважины, использует для расчета напряженно-деформированного состояния горных пород метод конечных элементов. Решение различных задач этим методом с достаточно высокой степенью точности требует выполнения значительного количества вычислений, наиболее ресурсоемкими из которых является решение системы линейных уравнений. В связи с этим для сокращения времени расчетов при моделировании был разработан алгоритм параллельного решения системы линейных уравнений методом исключения Гаусса применительно к сильно разреженным матрицам, имеющим ленточное строение [3].

Наличие в теле алгоритма циклов с независимыми итерациями позволяет осуществлять разбиение решаемой задачи на отдельные процессы и их выполнение в произвольном порядке различными процессорами используемой ЭВМ. При этом ленточное строение и сильная разреженность матрицы способствуют оптимизации вычислительных процессов посредством работы программы исключительно с ненулевыми элементами матрицы.

Сравнительный анализ эффективности использования предложенного алгоритма по сравнению с известными последовательными про-

граммными решениями (Л. Сегерлинд, А.Б. Фадеев [4, 5 и др.]) приведен на рис. 5, из которого видно, что использование разработанного алгоритма сокращает время расчета в среднем на 37 %. Данный алгоритм может быть успешно использован в различных программных продуктах, реализующих метод конечных элементов для расчета физических параметров изучаемого объекта.

Основываясь на взаимодействии с организациями по экспертизе промышленной безопасности в горной промышленности, научно-производственными компаниями, шахтами и разрезами, коллективу кафедры электромеханики удалось создать перспективный комплекс для оперативного контроля, прогнозирования и управления геомеханической обстановкой в горной выработке, способствующий повышению качества проектной документации, проведению профилактических мероприятий по предупреждению аварийных ситуаций в угольных шахтах.

Разработанная методика оценки прочности горных пород в окрестностях скважины, пробуренной из горной выработки, устройство для ее реализации и прилагаемое программное обеспечение рекомендованы к внедрению на угольных шахтах и карьерах ООО «Вост-НИГРИ», ОАО «СибНИИуглеобогащение», ЗАО «Уралгормаш», а также получили положительные отзывы на семинаре компании Thyssen Krupp Fördertechnik (Германия) в Сибирском государственном индустриальном университете (рис. 6).

3000

i 2500

Ü

! 2000

ж

I 1500

у

! 1000

а

§ 500

0 4000 8000 12000 16000

Количество уравнений

Рис. 5. Сравнительный анализ эффективности авторского алгоритма реализации расчетов на ЭВМ:

--известные последовательные алгоритмы:

-----авторский алгоритм

Рис. 6. Встреча представителей концерна Thyssen Krupp Fördertechnik с коллективом кафедры электромеханики СибГИУ

Выводы. Создан комплекс для оперативного контроля, прогнозирования и управления геомеханической обстановкой в горной выработке, способствующий повышению качества проектной документации, проведению профилактических мероприятий по предупреждению аварийных ситуаций в угольных шахтах. Коллективом кафедры электромеханики осуществляются работы по промышленной апробации разработанной методики, устройства

«Прочностномер ПСШ-1» и пакета программ

«Индентирование» V 1.0 с их дальнейшей сертификацией и внедрением в производство.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012612864 РФ. «Индентирование» V 1.0 / Корнеев В. А. № 2012610794; заявл. 08.02.2012; опубл. 22.03.2012.

2. Пат. 2433266 РФ, МПК Е21С39/00, 00Ш3/40. Погружной измеритель крепости горных пород / Дворников Л.Т., Корнеев В.А.; заявл. 22.03.2010; опубл. 10.11.2011.

3. К о р н е е в В.А. Реализация высокопроизводительных методов вычислений в задачах геомеханики // ГИАБ. 2012. № 2. С. 383 - 385.

4. Ф а д е е в А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.

5. С е г е р л и н д Л. Применение метода конечных элементов / Пер. с англ. - М.: Мир, 1979. - 248 с.

© 2015 г. Е.В. Пугачёв, В.А. Корнеев,

П.А. Корнеев Поступила 15 апреля 2015 г.

УДК 621.51:621.313

Е.В. Пугачёв, М.В. Кипервассер, А.В. Герасимук

Сибирский государственный индустриальный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА В ЦЕПИ ТОКА ПРИВОДНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ АВАРИИ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Турбокомпрессоры нашли широкое применение в химической, металлургической, горнодобывающей отраслях промышленности. Турбокомпрессоры - это центробежные компрессорные машины, используемые преимущественно при подаче больших объемов газа под давлением 0,15 - 1,00 МПа. Сжатие происходит за счет выброса газа рабочими колесами в радиальном направлении под действием центробежной силы. Для большей эффективности турбокомпрессоры делают многоступенчатыми: на общий вал насаживается

несколько рабочих колес, отделенных друг от друга диффузорами (рис. 1). Ступени расположены последовательно, давление сжимаемого газа возрастает от первой до последней ступени. Между некоторыми ступенями в теплообменниках происходит промежуточное охлаждение сжатого газа [1].

Турбокомпрессоры - ответственные и энергонапряженные агрегаты, подвержены воздействию значительных механических нагрузок. Мощность приводных синхронных двигателей может достигать 12,5 МВт и выше, частота вра-