Общая характеристика научных работ в области исследования параметров гидроимпульсной струи
Результаты данной научной работы необходимы для создания выемочной гидроимпульсной машины для механизациии очистных и подготовительных работ в условиях шахт Центрального района Донбасса c крутым залеганием угольных пластов.
Руководитель научной работы лауреат Государственной премии, заслуженный деятель науки и техники Украины доктор технических наук, профессор Бойко Николай Григорьевич.
При гидравлическом способе ведения горных работ в качестве средства разрушения используется струя воды различного давления и диаметров. В зависимости от способа формирования и гидродинамических свойств различают стационарные, тонкие высоконапорные, импульсные, пульсирующие и кавитационные струи
[1,2].Стационарные гидромониторные струи наиболее освоены. Они нашли широкое применение на практике. Исследования [3] и опыт их использования на шахтах показал, что производительность гидроотбойки зависит от следующих факторов мощности пласта, крепости, трещиноватости, вязкости угля, скорости перемещения струи по груди забоя, ширины за ходки, угла наклона струи к плоскости забоя и других.
Исследования силы воздействия струи на преграду проводились Ленинградским горным институтом [4] ВНИИГидроуглем [5,6] ИГД им. А.А.Скочинского [1,7], УкрНИИГидроуглем [8], Донецким политехническим институтом [9,11] и другими организациями [12,13]. Наиболее полное изучение стационарной гидромониторной струи проведено во ВНИИГидроугля под руководством Н.Ф.Цяпко и в ИГД им. А.А.Скочинского. С.С.Шавловским [3] выполнены исследования по определению силы воздействия струи на преграду в зависимости от расстояния до насадка. Установлено, что с увеличением расстояния сила воздействия струи вначале растет, достигает максимума, а затем происходит ее уменьшение.
На основании большого опыта работы забоев гидрошахт установлено, что производительность гидроотбойки в значительной мере зависит от давления воды перед насадком
[5].В некоторых исследованиях существует другой подход к раскрытию механизма отбойки. Так в [21] исследована стационарная струя с подводимым давлением 4 МПа при диаметрах насадков 9, 11 и 13мм. По осциллограммам силы воздействия определены спектральные плотности дисперсии энергии, статические и динамические составляющие силы. В работе высказано предположение, что, главная причина разрушения пород заключается в воздействии вибрирующего давления на их поверхность. Скорость отбойки прямо пропорциональна величине динамической составляющей. Однако обобщающих выводов по данным результатов сделать нельзя, так как исследования проведены только при одном значении давления.
Институтом горного дела им. А.А.Скочинского ведется разработка техники и технологии гидравлической отбойки угля с применением тонких высоконапорных струй до 50МПа
[24-28]. При разработке угольных пластов тонкие струи используются для нарезки щелей с целью ослабления массива, а затем производится смыв угля гидромониторной струей большого расхода. Шахтные испытания экспериментальных установок показали хорошие результаты при гидравлическом разрушении крепких (f=1,7-2,5) и вязких углей [26,27], однако промышленного внедрения такие установки не получили.Исследования прерывистых струй, проведенные в институте Гидропроект
[32], показали, что их разрушающая способность выше стационарных.В работе [33] высказаны следующие соображения об особенностях воздействия импульсных струй на массив:
Проведенные исследования импульсных струй
[32,33] были ограничены по объему и не учитывали всех основных факторов, влияющих на производительность гидроотбойки.В Донецком политехническом институте в течение ряда лет выполнялись работы по изучению динамики импульсных струй. В работе
[34] экспериментально установлено, что струя с давлением в импульсе, повышенном в 1,8 - 2 раза по сравнению с подводимым давлением, воздействует на преграду с силой в 2-5 раза выше, чем стационарная.В работе [35] проведены исследования силы воздействия импульсной стационарной струи на преграду для расстояния 0,2-10м и подводимого давления 2-5 МПа. Было установлено, что сила воздействия импульсной струи выше стационарной в 3,5-6,2 раза.
Проведенные исследования [36] силы воздействия струи двуствольного импульсного гидромонитора ГИ-4 с диаметром насадок 16,7-22,8мм, при подводимом давлении 4,0-10,0МПа, на расстоянии между насадком и преградой 1-7м. В результате обработки экспериментальных данных были получены уравнения регрессии силы воздействия импульсной и стационарной струи. Показано, что в рассмотренном интервале изменения факторов сила воздействия импульсной струи выше стационарной в 2,1 раза.
Таким образом, преемущество импульсных струй перед стационарными отмечено во всех работах, но при этом в количественной оценке наблюдается существенные расхождения.
Обширными отечественными и зарубежными исследованиями гидроструйного разрушения горных пород установлены характер и качественные особенности этого процесса. Однако сложность и специфичность механизмов разрушения различными видами струй не позволили выработать единый подход, дающий возможность теоретического определения количественных зависимостей. И в настоящее время такие зависимости получают экспериментально-статистическим методом для различных видов разрушаемого материала и струй.
Установленные в Донецком политехническом институте при проведении шахтных испытаний гидроимпульсных устройств
[58-63] зависимости носят качественный характер и не позволяют проводить оптимальное проектирование создаваемых машин и выбор наиболее эффективных режимов их работы. С этой целью необходимо более глубокое исследование разрушения импульсными струями.Угольные пласты на участках исследований в шахтных условиях, как правило, имеют степень отжима и трещиноватости, значительно изменяющиеся как вдоль всего забоя, так и вдоль линии его подвигания, а также во времени. Эти характеристики пласта значительно влияют на эффективность гидроразрушения, а измерение их с необходимой степенью точности невозможно. Поэтому установление ряда количественных зависимостей процесса разрушения, требующих проведения большого числа опытов, на угольных пластах в шахте весьма затруднительно. В связи с этим основная часть исследований разрушения импульсными струями проводится на стенде с аналогом горного массива – углецементным блоком. На заключительном этапе в установленной области рациональных параметров струи проводятся исследования на угольных пластах, имеющие целью определение интегральных зависимостей, характеризующих эффективность разрушения и дающих возможность перенесения результатов, полученных в стендовых условиях, на реальные шахтные.
В начало страницы