Влияние скорости перемещения струи воды и прочности горючих сланцев на показатели процесса щелеобразования

УДК 622.232.5

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СТРУИ ВОДЫ И ПРОЧНОСТИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ЩЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ

А.Б. Жабин, Т.В. Ковалева, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян

Рассмотрено влияние скорости перемещения струеформирующей насадки и прочностных свойств горючих сланцев на показатели процесса щелеобразования при нарезании щелей струей воды высокого давления.

Ключевые слова: горючие сланцы, прочностные свойства, струя воды, скорость перемещения, щелеобразование, энергоемкость

Одним из современных способов физического воздействия на массив при разрушении твердых полезных ископаемых является резание тонкими струями воды высокого давления [1, 2, 3]. Наиболее распространенной и эффективной при этом является щелевая схема [4]. Для горных пород и углей влияние прочности материала и параметров процесса щелеобразования на его показатели изучено достаточно хорошо, однако о горючих сланцах этого сказать нельзя, так как подобных исследований в данной области почти не проводилось [1-9].

Экспериментальные исследования по определению влияния скорости перемещения струи на глубину щели и удельную энергоемкость процесса щелеобразования проводились на образцах горючих сланцев с пределом прочности на одноосное сжатие 11,1 МПа при давлении воды 40 МПа. Диаметр отверстия струеформирующей насадки принимался равным 2,0; 2,5 и 3,0 мм. Скорость перемещения струи воды составляла 0,03; 0,1; 0,25 и 0,35 м/с. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.

По данным, представленным в табл. 1, построены графики зависимости Ищ = /(<Л0) при нарезании щелей в сланцах с различными скоростями перемещения струи воды, приведенные на рис. 1. Анализ графиков показывает, что указанная зависимость носит линейный характер. В то же время следует отметить, что по данным некоторых исследователей эта зависимость является не линейной [9]. Прямые линии, приведенные на рис. 1, могут быть представлены формулой вида

Нщ = а

где а - коэффициент пропорциональности; п - показатель степени.

Из этих графиков также следует, что значения коэффициента а изменяются в зависимости от изменения скорости перемещения струи. С ее увеличением значения указанного коэффициента падают, а, следовательно, уменьшается глубина разрушения.

_Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып.3_

На рис. 2 по данным табл. 1 представлены закономерности изменения удельной энергоемкости нарезания щелей в зависимости от диаметра отверстия струеформирующей насадки при различных скоростях перемещения струи. Из рис. 2 следует, что изменение удельной энергоемкости линейно связано с изменением диаметра отверстия насадки. С увеличением С0 удельная энергоемкость процесса щелеобразования возрастает по прямо пропорциональной зависимости, причем более интенсивно при использовании струй с меньшими скоростями перемещения.

Так, например, для уп = 0,03 м/с удельная энергоемкость при (0 = 2,0

9 9

мм составляет 5,55 МДж/м , а при (0 = 3,0 мм - 9,08 МДж/м , то есть увеличивается в примерно в 1,6 раза. В то же время для уп = 0,35 м/с при (0 = 2,0 мм значение Ещ = 0,95 МДж/м , а при (0 = 3,0 мм значение удельной энергоемкости равняется 1,43 МДж/м , то есть возрастает в 1,5 раза (табл. 1).

Вместе с тем из рис. 2 видно, что меньшим значениям скоростей соответствуют большие значения энергоемкости. Это объясняется тем, что при меньших значениях скоростей увеличивается время взаимодействия струи воды с породой, а следовательно, и расход воды и в конечном итоге потребляемая гидравлическая мощность. А это, в свою очередь, ведет к увеличению энергоемкости.

Таблица 1

Влияние скорости перемещения струи воды на показатели процесса щелеобразования

Скорость перемещения струи Уп, м/с Диаметр струеформирующей насадки (0, мм Глубина щели Нщ, мм Скорость приращения боковой поверхности щели м2/с Потребляемая гидравлическая мощность струи К, Вт Удельная энергоемкость процесса щелеобра-зо-вания Ещ, МДж/м2

0,03 2,0 11 0,0048 26639,0 5,55

0,1 2,0 12 0,013 26639,0 2,05

0,25 2,0 16 0,026 26639,0 1,01

0,35 2,0 41 0,028 26639,0 0,95

0,03 2,5 37 0,0056 41623,5 7,50

0,1 2,5 50 0,016 41623,5 2,69

0,25 2,5 60 0,033 41623,5 1,28

0,35 2,5 70 0,035 41623,5 1,19

0,03 3,0 90 0,0066 59937,8 9,08

0,1 3,0 80 0,018 59937,8 3,33

0,25 3,0 100 0,035 59937,8 1,71

0,35 3,0 120 0,042 59937,8 1,43

Экспериментальные исследования по определению влияния прочностных свойств горючих сланцев на показатели процесса проводились при скорости перемещения струи воды 0,03 м/с. Диаметр отверстия струе-

184

формирующей насадки принимался равным 2,0 мм. Давление воды составляло 10, 30, 50 и 70 МПа. Разрушению подвергались образцы горючих сланцев с пределом прочности на одноосное сжатие 11,1; 24,6 и 62,3 МПа. Результаты исследований приведены в табл. 2. На рис. 3 представлена зависимость глубины щели от давления воды при различных значениях прочности горючих сланцев. Анализ графиков показывает, что с ростом давления воды глубина щели возрастает по прямолинейной зависимости.

Н

Щ 1

ММ

¿10

190

170

150

130

110

90

70

4

4

♦ 3

i

2

1

1,8

2,1

2,4

2,7

ММ

Рис. 1. Зависимость Нщ = /(й0): 1 - при уп = 0,35 м/с; 2 - при уп = 0,25 м/с; 3 - при уп = 0,1 м/с; 4 - при уп = 0,03 м/с

Ещ, МДж/м2

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

4

3

о

-

\ 1

1,8

2,3

2,8

ММ

Рис. 2. Зависимость Ещ = /(й0): 1 - при уп = 0,35 м/с; 2 - при уп = 0,25 м/с; 3 - при уп = 0,1 м/с; 4 - при уп = 0,03 м/с

Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып.3

Таблица 2

Влияние прочности горючих сланцев на показатели процесса щелеобразования

Временное сопротивление одноосному сжатию оСж, Мпа Давление воды перед насадкой Р0, МПа Глубина щели Нщ, мм Скорость приращения боковой поверхности щели м2/с Потребляемая гидравлическая мощность струи Nr, Вт Удельная энергоемкость процесса щелеобразования Ещ, МДж/м2

11,1 10 79 0,0024 3329,9 1,4

24,6 10 54 0,0016 3329,9 2,1

62,3 10 29 0,0009 3329,9 3,8

11,1 30 145 0,0044 17302,6 4,0

24,6 30 100 0,0030 17302,6 5,8

62,3 30 72 0,0022 17302,6 8,0

11,1 50 167 0,0050 37229,2 7,4

24,6 50 120 0,0036 37229,2 10,3

62,3 50 85 0,0026 37229,2 14,6

11,1 70 117 0,0053 61670,2 11,6

24,6 70 118 0,0035 61670,2 17,4

62,3 70 90 0,0027 61670,2 22,8

Из рис. 3 видно, что с увеличением прочности горючих сланцев глубина щели уменьшается для всех значений давления воды.

hm, мм

160

140 1Z0 100 80 60 40 20

о Z0 40 G0 рт мПа

Рис. 3. Зависимость Нщ = f(P0): 1 - при асж = 62,3 МПа; 2 - при асж = 24,6 МПа; 3 - при асж = 11,1 МПа

На рис. 4 приведена зависимость удельной энергоемкости процесса щелеобразования от давления воды при различных значениях прочности сланцев.

Представленные на рисунке значения Ещ были аппроксимированы параболическими зависимостями, имеющими следующий вид: для зависимости 1

Ещ = 0,115Ро - 0,21;

для зависимости 2

Ещ = 0,001Р02 + 0,171Р0 - 0,344;

для зависимости 3

Ещ = 0,001Р02 + 0,235Р0 - 0,453.

£„,, МДж/м2

70,0

15,0

10,0

5,0

0,0

и

* ---  2 ♦

1

1

20

35

50

65 Р0 МПа

Рис. 4. Зависимость Ещ = /(Р0): 1 - при осж = 11,1 МПа; 2 - при осж = 24,6

МПа; 3 - при асж = 62,3 МПа

Обработка экспериментальных данных показала, что для зависимости (1) коэффициент при Р0 оказался статистически незначим по критерию Стьюдента. Анализ графиков, представленных на рис. 4, и исследование зависимостей (2) - (4) на экстремум свидетельствуют о том, что минимум энергоемкости обнаружить не удалось, то есть рациональное давление струи воды не установлено. Однако с ростом давления воды значения Ещ увеличиваются, так как возрастает гидравлическая мощность. При этом более прочным сланцам соответствуют и более высокие значения удельной энергоемкости. Отсюда следует вывод о том, что при данных условиях экспериментов количественной связи между рациональным давлением струи воды и прочностью сланцев на одноосное сжатие обнаружить не удалось. Вместе с тем, анализ литературных источников [5, 7] свидетельствует о том, что при разрушении горных пород различной прочности на одноосное сжатие струями воды высокого давления, хотя и установлено рациональное давление струи воды, но связь между его значением и прочностью пород также не обнаружена.

_Известия ТулГУ. Науки о земле. 2016. Вып.3_

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., Байдинов В.Н. Механизация горных работ с использованием гидротехнологий // Горное оборудование

и электромеханика. 2010. № 6. С. 2- 6

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

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

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

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

7. Совершенствование гидроструйных технологий в горном производстве / В. А. Бреннер, А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, Ал.В. Поляков, Ан.В. Поляков. М.: Москва: Изд-во МГГУ Горная книга, 2010. 342 с.

8. Жабин А.Б., Поляков Ан.В., Хачатурян В.Г. Обоснование и выбор критерия сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 2. С. 84-94.

9. Проведение исследований параметров и режимов гидромеханического разрушения горных пород// Отчет по НИР / ИГД им. А.А. Скочинского, рук. И. А. Кузьмич. М., 1979.

Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tulaamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ковалева Татьяна Владимировна, канд. техн. наук, доц., KovalevaO71 a mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, асс., cheh-84 a mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

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

THEINFL UENCE OF RA TE OF DISPLACEMENT WA TER JET AND STRENGTH OF OIL-SHALE ON PERFORMANCE OF CRACKING PROCESS

A.B. Zhabin, T. V. Kovaleva, P.N. Chebotarev, W.H. Khachaturian

188

_Геотехнология_

Influencing rate of displacement nozzle and strength properties of oil-shale upon performance of cracking process by cutting cracks with high pressure water jet are described.

Key words: oil-shale, strength properties, water-jet, rate of displacement, cutting cracks, energy intensity.

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

Kovaleva Tatiana Vladimirovna, candidate of technical science, docent, Kovale-va07I@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Chebotarev Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, assistant, cheb-84@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khachaturian William Henrihovich, postgraduete, wil7I@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

Reference

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

2. Merzljakov V.G., Baftalovskij V.E., Bajdinov V.N. Mehanizacija gornyh rabot s ispol'zovaniem gidrotehnologij // Gornoe oborudovanie

i jelektromehanika. 2010. № 6. S. 2- 6

3. Merzljakov V.G., Baftalovskij V.E. Fiziko-tehnicheskie osnovy gidrostrujnyh teh-nologij v gornom proizvodstve. M.: NNCGP - IGD im. A.A. Skochinskogo, 2004. 645 s.

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

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

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

7. Sovershenstvovanie gidrostrujnyh tehnologij v gornom proiz-vodstve / V.A. Brenner, A.B. Zhabin, MM. Shhegolevskij, Al.V. Poljakov, An.V. Poljakov. M.: Moskva: Izd-vo MGGU Gornaja kniga, 2010. 342 s.

8. Zhabin A.B., Poljakov An.V., Hachaturjan V.G. Obosnovanie i vy-bor kriterija soprotivljaemosti gorjuchih slancev razrusheniju tonkoj struej vody vysokogo davlenija // Iz-vestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. Vyp. 2. S. 84-94.

9. Provedenie issledovanij parametrov i rezhimov gidromehaniche-skogo razrusheni-ja gornyh porod// Otchet po NIR / IGD im. A.A. Skochinskogo, ruk. I. A. Kuz'mich. Moskva, 1979.