ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТРУИ И ГОРНОГО МАССИВА
Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А.
Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986 - 143с. (с.31-35)
В практике встречаются различные виды нагружения твердых тел, в том числе и угля. Наряду с часто наблюдаемым статическим нагружением, существуют процессы, характеризующиеся динамическим приложением нагрузки. К таким процессам следует отнести и разрушение угля тонкими струями воды высокого давления.
При этом следует различать два вида воздействия: воздействие непрерывной струи воды в одну точку разрушаемого материала и разрушение материала струей воды, перемещающейся относительно его поверхности с определенной скоростью. Необходимо заметить, что и в том, и в другом случаях процесс гидравлического разрушения характеризуется динамическим приложением нагрузки.
При воздействии неподвижной струи воды в горном массиве образуется конусообразная воронка, глубина и диаметр которой зависят от параметров струи в плоскости контакта, физико-механических свойств разрушаемого материала и времени взаимодействия. Как показали экспериментальные работы, при достижении определенной глубины воронки дальнейший рост ее прекращается из-за образования водяной подушки, которая полностью защищает угольный массив от разрушения.
Практический интерес представляет второй вид воздействия тонкой струи воды на угольный массив, в котором образуется щель с размерами, зависящими не только от параметров струи и прочностных свойств угля, но и от времени контакта струи с разрушаемым материалом, обусловленного скоростью перемещения струи по забою.
Исследованиями установлено, что наибольший эффект разрушения тонкой струей воды, перемещающейся относительно его поверхности, достигается при направлении струи перпендикулярно к поверхности забоя и при минимальном расстоянии между насадкой струеформирующего устройства и разрушаемым материалом.
Интенсивность разрушения угля тонкой струей воды высокого давления определяется его прочностными свойствами, гидродинамическими параметрами струи, характером взаимодействия струи с разрушаемым материалом, временем воздействия и другими факторами. Основным критерием интенсивности резания горных пород тонкой струей воды является глубина щели, образуемая за один проход струи, перемещающейся относительно его поверхности с определенной скоростью.
На основании выполненных в ИГД им. А.А. Скочинского экспериментальных исследований были получены зависимости между параметрами струй воды и параметрами разрушения:
h(P0)=C(P0-Pкр); P0>Pкр (1)
h(V)=h0е-aV ; (2)
h(d)=Bdn ; (3)
h(k)=Akb, (4)
где h - глубина щели; P0 - давление струи; Pкр - критическое давление, при котором начинается процесс разрушения; h0 - глубина разрушения неподвижной струей; V - скорость перемещения струи; d - диаметр насадки; k - показатель сопротивляемости гидравлическому разрушению; A, B, C, a, b, n - эмпирические коэффициенты, которые служат основой для обобщения закономерностей гидравлического разрушения. Кроме того, эти зависимости позволяют осуществить полуэмпирический подход к вопросу о механизме разрушения реального горного массива высоконапорными струями воды и оценить важнейший параметр процесса разрушения - необходимое время воздействия. Учитывая, что время взаимодействия струи воды t с разрушаемым массивом при каждом акте разрушения можно с известным приближением определять как отношение диаметра насадки d струеформирующего устройства к скорости перемещения V, подставим в уравнение (2) вместоV отношение d/t и получим:
h=h0e-ad/t . (5)
Путем дифференцирования этого уравнения определим величину скорости внедрения струи Vвн в любой промежуток времени, не превышающий время взаимодействия струи воды с разрушаемым массивом при каждом акте разрушения
Vвн=(ah0de-ad/t)/t2 . (6)
Наблюдения показывают, что процесс гидравлического разрушения прекращается при достижении определенного значения скорости перемещения струи. Для установления конечного значения времени взаимодействия струи воды с разрушаемым массивом при последнем акте разрушения взята производная dVвн/dt, характеризующая замедление внедрения струи. Принимая, что при последнем акте разрушения замедление внедрения струи должно быть равно нулю, получим время t*=ad/2, при котором произойдет последний акт разрушения, т.е. в случае взаимодействия струи с массивом в течение времени, меньшим t*, разрушения не будет, несмотря на то, что энергия струи непрерывно передается разрушаемому массиву.
Определение последнего акта разрушения перемещающейся струей воды позволяет раскрывать механизм разрушения горного массива струей воды, перемещающейся с заданной скоростью.
Рис.1 Схема взаимодействия перемещающейся струи воды с горным массивом.
На рис.1 представлена схема взаимодействия перемещающейся струи воды с горным массивом в пределах начального участка струи. Схема служит иллюстрацией к объяснению механизма гидравлического разрушения. Воздействие струи на разрушаемый массив можно выразить эпюрой сил гидравлического давления. Представим, что эпюра гидродинамического давления струи перемещается по поверхности разрушаемого горного массива с заданной скоростью. Согласно выражению (5), при взаимодействии части эпюры с разрушаемым материалом за время t* произойдет разрушение на определенную глубину, если, конечно, давление на выходе из насадки струеформируещего устройства будет превышать критическое давление. Эпюра продолжает перемещаться дальше. Следующий этап разрушения произойдет опять при условии, что часть струи воды будет взаимодействовать с массивом в течение времени t* и т.д.
Таким образом, разрушение горного массива перемещающейся струей воды происходит отдельными микроактами. Причем длительность микроакта разрушения определяется величиной t*, которая показывает, какое время затрачивается на упругие (или пластические) деформации, предшествующие разрушению.
Аналогично рассмотренному процессу разрушения приповерхностного слоя горного массива происходит разрушение и последующих его слоев. Однако с каждым слоем сопротивляемость разрушению будет возрастать, что отражается на глубине разрушения. Представленные выше зависимости (5) и (6) позволяют рассчитать время взаимодействия струи при каждом акте разрушения, определить скорость внедрения струи и глубину разрушения горного массива при каждом полном акте разрушения его перемещающейся струей воды.
Из рассмотренной схемы ясно, что процесс разрушения каждого микроакта будет характеризоваться скалыванием горной породы за счет динамического давления струи воды.
Описанный механизм разрушения горного массива перемещающейся струей воды в пределах ее начального участка позволяет не только полностью представить картину разрушения, но и в методическом отношении может быть использован для решения целого ряда технических задач, связанных с разрушением горного массива струями воды различных параметров.