«МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ...»

Опытное бурение производилось на сверлильном станке «Кострома мод. 2М112» с частотой вращения исполнительного органа 450 об/мин (рис. 3.4). В качестве бурового инструмента использовалось сверло с наружным диаметром 6,3 мм, армированное алмазной крошкой. Постоянное осевое усилие на инструмент 5 кгс (50 Н) создавалось грузом, подвешенным на тросе через блок к подающей шестерне. Образец породы в виде плитки толщиной 25 мм устанавливался в емкости с раствором ПАВ на резиновую подкладку, что давало возможность точно фиксировать момент выхода сверла наружу. Емкость с образцом, в свою очередь, устанавливалась на пенопластовую пластину, которая уменьшала биение инструмента и обеспечивала стабильность результатов бурения. Глубина внедрения сверла определялась по шкале, закрепленной на неподвижной части станка. Время бурения фиксировалось по секундомеру через каждые 5 мм внедрения сверла. Результаты эксперимента представлены в табл. 3.2.

При проведении экспериментов отмечено, что на последней стадии бурения (при глубине внедрения сверла более 20 мм) происходил скол породы по нижнему основанию плитки за счет давления сверла на забой шпура. Поэтому эти данные при обработке результатов не учитывались. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы.

Средняя скорость бурения составляет:

Причем вариация показателей по шпурам в растворах ПАВ существенно ниже, чем в воде, что свидетельствует о большей стабильности процесса бурения в ПАВ.

Таким образом, использование ПАВ позволяет в среднем на 19,3 % повысить скорость бурения. При этом отмечен ряд сопутствующих эффектов. По мере углубления сверла в породу наблюдается заметное снижение скорости бурения (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Зависимость скорости бурения от заглубления инструмента Это объясняется ухудшением условий бурения с ростом глубины шпуров. Прежде всего, с ростом объема выбуренной породы увеличивается содержание буровой муки (шлама) в растворе. Из-за отсутствия активной промывки шлам остается в шпуре и тем самым ухудшает работу сверла. Кроме того, рабочая часть сверла с напыленным алмазным порошком составляет порядка 10 мм по высоте, т. е. почти половину предельной глубины шпура. Поэтому по мере заглубления инструмента увеличивается трение рабочей части сверла со стенками шпура.

Косвенным подтверждением этого факта является стабилизация скорости бурения в нижней части шпуров (глубже 10 мм).

Однако с использование ПАВ негативные последствия данных факторов нивелируются. В частности, активные молекулы, адсорбируясь на стенках шпура, снижают коэффициент трения инструмента о породу. Количественно этот эффект можно оценить зависимостью относительного увеличения скорости бурения в ПАВ по мере заглубления инструмента (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Повышение эффективности использования ПАВ с ростом глубины шпуров Зависимость на графике описывается уравнением:

Высокий коэффициент корреляции (r = 0,969) свидетельствует о статистической значимости уравнения. Полученные результаты могут быть использованы для количественной оценки снижения коэффициента трения при расчетах критериев эффективности бурения (раздел 3.1). Так, относительное изменение коэффициента трения за счет действия ПАВ при одинаковой глубине шпуров может определиться соотношением:

Лабораторные исследования контактной прочности пород как меры эффективности ПАВ (раздел 2.2) показали, что для пироксен-плагиоклазовых порфиритов СУБРа наилучшие результаты дает раствор AlCl3 в концентрации 0,001 %. Для подтверждения этого по выше описанной схеме выполнено моделирование процесса бурения с этим раствором для порфирита, отобранного из забоя вскрывающего квершлага шахты 12-12 бис СУБРа (табл. 3.3).

В результате бурения 6 шпуров в воде и 6 шпуров в 0,001 % растворе AlCl3 получены следующие данные по скорости бурения:

Таким образом, бурение с промывкой раствором данного ПАВ способно повысить скорость процесса в среднем на 33 %, что подтверждает большую эффективность концентрации AlCl3 0,001 % по сравнению с 0,01 % для пироксен-плагиоклазовых порфиритов Североуральских бокситовых месторождений.

Аналогичные эксперименты по моделированию процесса бурения выполнены для мелкозернистого песчаника Донецкого бассейна. Пробы извлечены из забоя углубляемого ствола № шахты им. Изотова. Контактная прочность исходных пород составляет 2,2 ГПа и снижается в 0,01 % растворе MgCl2 – в среднем до 1,6 ГПа, т. е. в 1,375 раза. В результате моделирования бурения (по шпуров на каждый раствор) получены следующие результаты. Средняя скорость бурения с водой составила 1,64 мм/мин. Добавка MgCl2 привела к увеличению Vб в 1,311 раза (Vб = 2,15 мм/мин).

Таким образом, результаты моделирования показывают, что воздействие ПАВ приводит к закономерному повышению скорости бурения и снижению энергоемкости процесса разрушения горных пород. Причем увеличение скорости бурения практически пропорционально снижению контактной прочности пород в ПАВ.

Износ бурового инструмента определяется механизмами первоначального скола, абразивного износа, диффузионными и термическими явлениями [62]. Действие поверхностноактивных веществ проявляется преимущественно в снижении абразивности горных пород. В различных областях науки и практики применяются разные методики определения абразивности материалов [18, 134, 149]. В горной практике наибольшее распространение получила методика Л. И. Барона [12]. Существо методики заключается в определении потери массы при истирании о поверхность породы стержня из стали-серебрянки У8А (ГОСТ 2588/44) диаметром 8 мм с центральным отверстием 4 мм на одном из торцов.

Для оценки влияния ПАВ на абразивность пород исследованы описанные в предыдущем разделе порфириты СУБРа. Истирание производилось на сверлильном станке с усилием прижатия 150 Н и скоростью вращения 400 об/мин. Время истирания – 10 минут одним концом и 10 минут другим. Абразивность оценивалась по потере массы истираемого стержня в соответствии с формулой a = (m1 – m2)/2, мг. Взвешивание производилось на аналитических весах АДВ-200 с точностью 0,1 мг. Для сопоставления с режимами бурения определение абразивности производилось на образцах, погруженных в воду и 0,001 % раствор AlCl3.

Результаты опытов приведены в табл. 3.4.

Средняя абразивность порфирита, погруженного в воду, составила 230 мг, в раствор ПАВ – 148 мг. Снижение абразивности в ПАВ в 1,55 раза или на Z = (230-148)/230 100 % = 35,6 %.

В ходе эксперимента было установлено, что в растворе ПАВ заглубление стержня в породу было значительно большее, чем в воде. Следовательно, в этом случае происходил износ боковых поверхностей стержня, и реальная абразивность породы в ПАВ будет еще меньше, чем измерено.

Абразивный износ инструмента обусловлен его трением о горную породу, в результате чего минеральные зерна царапают и режут долото. Кроме того, возникающие при плотном контакте инструмента с породой диффузионные процессы снимают тонкую пленку металла с поверхности. Из рассмотрения баланса энергий Ю. И. Протасов [113] установил величину линейного износа долота при ударном (перфораторном) бурении:

где - угол заточки долота;

[Е] – модуль упругости материала инструмента;

fт – коэффициент трения металла о породу – пропорционален абразивности горных пород Z;

kт – термический коэффициент, учитывающий относительный расход энергии на нагрев породы и долота.

коэффициентом К, получим:

Промывочная вода эту функцию практически не выполняет, ибо при больших давлениях на буровой инструмент происходит ее отжатие, а при больших температурах – испарение.

Использование в качестве промывочной жидкости растворов ПАВ значительно усиливает смазывающее действие из-за образования адсорбционных слоев молекул раствора, прочно связанных с поверхностью породы. Улучшение промывки уменьшает перегрев долота и, следовательно, его износ.

Для количественной оценки этого эффекта выполнено моделирование процесса.

исполнительного органа 450 об/мин при постоянном осевом усилии 50 Н (5 кгс). В эксперименте использовалось сверло диаметром 2,5 мм, армированное алмазной крошкой.

Образец породы в виде плитки толщиной 15 мм помещался в ванну с раствором на резиновую подкладку. Время контакта инструмента с породой в каждом опыте составляло 2 минуты.

представлены в табл. 3.5.

Результаты определения износа бурового инструмента Средний износ инструмента при бурении в воде 3,0 мг, в растворе ПАВ – 1,0 мг.

Относительное снижение износа сверла при бурении в растворе ПАВ в 3,0/1,0 = 3,0 раза или на (3,0-1,0)/3,0 100 % = 67 %.

Сопоставление полученных данных с результатами определения абразивности дает расхождение почти в два раза. Следовательно, снижение износа бурового инструмента под действием ПАВ обусловлено не только его абразивным износом, но и другими факторами, которые рассмотрены в разделе 3.1.3.

3.5.1. Общая оценка буримости горных пород с промывкой растворами ПАВ В предыдущей главе показано существенное влияние поверхностно-активных веществ на свойства и состояние горных пород. Это закономерно должно отразиться на повышении эффективности разрушения пород. Применительно к процессу бурения достаточно подавать ПАВ на забой шпура вместе с промывочной жидкостью [75]. При этом возникает задача прогнозной оценки эффективности использования ПАВ с точки зрения производительности процесса бурения, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли. Для этого используем установленные закономерности изменения свойств горных пород в поверхностноактивной среде.

Наиболее широко в расчетах процесса бурения используется показатель контактной прочности горных пород Рк [18]. При определении величины Рк в сущности моделируется процесс внедрения инструмента в поверхность горной породы, поэтому Vбур ~ 1/Рк. Кинетика изменения данного показателя в поверхностно-активной среде детально изучена в предыдущей главе. Анализ результатов показывает сложный циклический характер изменения контактной прочности. Кроме того, ее величина определяет лишь процесс внедрения инструмента, тогда как эффективность бурения обусловлена объемным разрушением пород. В этой связи показатель Рк не может служить однозначным критерием для количественных оценок буримости.

Объемное разрушение горных пород определяется комплексом их прочностных характеристик. Как теория, так и практика показывают, что производительность (скорость) бурения обратно пропорциональна прочности пород Vбур 1/[ ] n. Для различных способов и условий бурения показатель степени n изменяется от 0,5 до 2. В качестве прочностной характеристики [ ] в расчетных формулах используют коэффициент крепости f, прочность при растяжении р, сжатии сж, сдвиге или их сочетание. Кроме того, на удаление разрушенной породы (шлама) нужны дополнительные затраты энергии, что требует учета объемного веса горных пород. На основе такого анализа академиком В. В. Ржевским предложен показатель относительной трудности бурения [129]:

где А = 7 10-8 и В = 103 м – коэффициенты, введенные из соображений размерности.

Все горные породы по величине Пб подразделяются на 5 классов и 25 категорий. Породы с Пб >25 относят к внекатегорным. Считается, что скорость бурения обратно пропорциональна величине показателя Пб, т. е. n = 1. Полученные оценки следует считать весьма приблизительными, поскольку все многообразие реальных процессов бурения, столь различных по своей физической природе, вряд ли возможно описать единым показателем. На это указывал и сам В. В. Ржевский [129], предлагая данный показатель лишь как относительную меру трудоемкости бурения. Однако применительно к современным станкам ударного бурения это справедливо для горных пород средней крепости и выше. В слабых трещиноватых породах энергия удара расходуется на переизмельчение породы и эффективность процесса бурения резко падает. Кроме того, прочностные характеристики пород определялись при статическом нагружении, что не отражает динамический характер бурения.

Для расчета процесса ударного бурения М. М. Протодьяконовым (младшим) [116] предложен динамический коэффициент крепости горных пород fд, определяемый методом толчения. Сущность метода заключается в оценке характеристик дробления пород путем многократного сбрасывания на них груза и анализа продуктов разрушения. Предполагается, что производительность ударного бурения обратно пропорциональна величине этого показателя Vбур ~ 1/fд.

Для оценки динамических процессов Л. И. Барон [11] предложил использовать показатель дробимости горных пород Vмакс. В отличие от динамического коэффициента крепости Vмакс определяется при однократном сбрасывании груза на образец горной породы, что исключает повторное дробление, всегда протекающее в непредсказуемо меняющихся условиях по мере измельчения породы. Л. И. Барон считает, что Vбур ~ Vмакс1/2. Исследования данного вопроса [72] показывают, что действие ПАВ значительно повышает величину дробимости пород. Так, для известняков СУБРа Vмакс = 5,3 см3; в поверхностно-активной среде (МgCl2 – 0,05 %) эта величина возрастает до Vмакс = 6,84 см3. Тогда ожидаемое относительное повышение скорости бурения составит 14 %.

Показатель дробимости Vмакс, как выход фракции – 7 мм, был выбран, исходя из того, что его величина изменяется приблизительно в тех же пределах, в каких изменяется относительный выход негабарита при взрывной отбойке на горных предприятиях. Однако сами авторы этого показателя отмечают [11], что данные по одной фракции явно ненадежны. Такой подход вызван только удобством определения Vмакс в производственных условиях. Более того, для различных горно-геологических условий наиболее информативным может оказаться выход иной по размеру фракции. Поэтому наиболее адекватной характеристикой горных пород может служить удельная энергоемкость дробления qдр, определяемая анализом всех фракций дробленого продукта.

В разделе 1.2 приводятся известные в настоящее время эмпирические зависимости для оценки скорости бурения в различных горно-геологических условиях. Их использование для условий Североуральских бокситовых месторождений дает следующие результаты.

адекватными только тем условиям, для которых найдены данные уравнения. Поэтому мы произвели относительную оценку изменения скорости бурения, используя полученные нами результаты по свойствам пород СУБРа, представленные во второй главе. Полученные для указанных пород результаты отличаются в несколько раз. Например, для эффузивных пород Североуральских месторождений при использовании в качестве ПАВ 0,001 % раствора AlCl формула (1.30) дает увеличение скорости бурения на 20,4 %, а формула (1.33) – на 65,3 %.

Разница более чем в три раза.

Таким образом, приведенные выше оценки показывают, что во всех случаях действие ПАВ повышает эффективность бурения. Однако численные значения прогнозных оценок существенно разнятся. Это вполне понятно, поскольку в каждой из них оцениваются различные свойства пород и никак не учитываются параметры технологии бурения. Поэтому боле достоверные оценки могут быть получены на основе рассмотрения всей технологии бурения по одной из теоретических схем.

3.5.2. Формирование модели Разрушение горных пород механическим инструментом всегда связано с его внедрением в поверхность породы. При этом, как показано Л. А. Шрейнером [149], процесс можно представить как вдавливание плоского штампа в полубесконечное тело (упругое или упруго-пластичное полупространство). За счет действующей нагрузки под штампом образуется область объемного сжатия, называемая ядром уплотнения. Плодотворная идея об образовании и роли ядра уплотнения в процессе разрушения горных пород была высказана И. А. Остроушко [105]. В соответствии с разработанной им теорией при ударном бурении разрушение горной породы под буровым инструментом носит циклически затухающий характер (см. Гл. 1). Каждый цикл включает следующие этапы разрушения.

На первом этапе под действием осевой нагрузки возникает упругий прогиб породы под инструментом. На втором этапе, когда напряжения достигают предела упругости, в ней происходят необратимые изменения, заключающиеся в следующем. В площадках под углом 45о касательные напряжения достигают максимума, и образуется система трещин в направлениях AO, BO и AC, BD.

Трещины смыкаются в точке О и выходят на свободную поверхность к точкам M и N (рис. 3.7, а).

На третьем этапе под инструментом образуется ограниченное трещинами ядро уплотнения в объеме конуса АОВ. Горные породы в ядре находятся в условиях объемного сжатия. Расширяясь под действием нагрузки, ядро уплотнения выталкивает породу по трещинам в объеме MON. После этого ядро мгновенно разгружается, и объемное напряженное состояние переходит в одноосное.

Запасенная в ядре уплотнения упругая энергия расходуется на разрушение и переизмельчение породы в объеме АОВ. Нагрузка резко падает, и инструмент заглубляется в породу на глубину h0.

При этом под инструментом в основании конуса разрушения остается переизмельченная порода. На четвертом этапе при движении инструмента происходит уплотнение разрушенной породы под штампом, что сопровождается возрастанием усилия PY. При этом уплотненная порода служит дополнительным рабочим телом, передающим нагрузку на окружающий массив. Затем цикл разрушения повторяется, но уже при большем осевом усилии, поскольку расходуется дополнительная энергия на уплотнение разрушенной породы под штампом и преодоление сил трения боковой поверхности штампа о породу. Число циклов разрушения зависит от величины осевого усилия и свойств горных пород. При этом от цикла к циклу сопротивление внедрению инструмента увеличивается, а объем разрушения, как и величина деформации, уменьшается (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Циклический характер разрушения горной породы при бурении количественную оценку данных этапов разрушения пород. Поскольку при составлении модели ставится задача получения относительной оценки эффективности действия ПАВ, возможно принятие следующих допущений. Геометрические параметры рабочего инструмента остаются неизменными. Разрушение породы происходит при достижении напряжениями контактной прочности породы. Деформации соответствуют (пропорциональны) экспериментальным значениям, полученным при прямом нагружении образцов на прессе.

На первом этапе упругий прогиб породы под инструментом определится законом Гука:

= /Е, который выполняется до достижения напряжениями предела упругости = Ру при вдавливании бурового инструмента (контактной прочности). С большой долей уверенности можно принять равенство отношений прочности к пределу упругости породы при сжатии и тех же величин контактной прочности: у/ = Ру/Рк. Тогда при составлении математической модели можно использовать закономерности изменения контактной прочности, полученные экспериментально в процедуре выбора эффективных ПАВ (см. раздел 2.2).

Контактная прочность определяется как разрушающая нагрузка, отнесенная к площади штампа. Применительно к бурению площадь давления определится произведением ширины площадки затупления и длины лезвия инструмента (клина). Последнее можно сопоставить диаметру шпуров d. По данным Э. О. Миндели [96] ширина площадки затупления зависит от коэффициента крепости f буримых пород:

Приняв деформацию как отношение прогиба к величине площадки затупления, получим:

сопровождается ростом напряжений от Ру до Рк и определяется развитием пластической деформации за счет образующихся трещин. Данные механизм количественно оценивается модулем пластичности Епл. Тогда:

Заглубление инструмента на величину h0, сопровождающееся спадом нагрузки (третий этап), определится геометрией образующегося конуса MON (см. рис. 3.7). Его глубина h определится углом наклона площадок с наибольшими касательными напряжениями:

В соответствии с теорией прочности Мора = 45, тогда h = /2. Величина раствора конуса разрушения MN = D определится углом, который также зависит от свойств пород: D = 2h/tg. Если длина лезвия инструмента (коронки) – d, то объем ядра уплотнения:

Объем разрушения (борозды):

По данным Л. А. Шрейнера и других исследователей [134, 149] ядро уплотнения под штампом имеет не коническую, а сферическую форму. Тогда площадки с максимальными касательными напряжениями под углом = 450 выходят в зону объемного сжатия, и разрушить породу не могут. Результаты моделирования показывают, что реально = (60-75)0. Тогда угол раствора конуса разрушения составит = (25-30)0. Буровой инструмент заглубляется в породу на величину h0 до соприкосновения с образующими конуса MON. Тогда из геометрических соображений:

Распределение давления по плоскости контакта плоского основания цилиндрического штампа с горной породой не является равномерным и зависит от расстояния х от оси штампа [134]:

Отсюда следует, что на оси штампа (при х = 0) давление будет наименьшим: (x=0) = P/2 a2.

На контуре контакта (при х = а) давление становится бесконечно большим: (х = а). Вследствие перенапряжений породы по контуру контакта образуются эллипсовидные зоны разрушения, от которых ответвляется система вертикальных трещин. Они ограничивают цилиндрическую область, в которой горные породы находятся в условиях объемного сжатия, т. е. образуют ядро уплотнения.

Работа цилиндрического ядра уплотнения рассмотрена Ю. И. Протасовым [113]. Схема разрушения может быть представлена в следующем виде (рис. 3.9). Под действием силы PY в массиве образуется первичное ядро уплотнения объемом V01. Это ядро расширяется в поперечном направлении, преодолевая реакцию горизонтального распора Р1, на величину V1. При этом образуется вторичное ядро уплотнения V02, которое расширяется в направлении свободной поверхности, преодолевая силы Р2 и разрушая (выкалывая) поверхностный слой. Это приводит к разгрузке поочередно ядра V02 и ядра V01. Объемное напряженное состояние в них переходит в плоское, прочность пород уменьшается, и запасенной упругой энергии оказывается достаточным для разрушения. Суммарный объем разрушения включает объем выкола в приповерхностной части и объем ядер уплотнения V01 и V02.

Руководствуясь данной схемой, Ю. И. Протасов получил следующее уравнение энергетического баланса для выкола породы:

где k – коэффициент, учитывающий отличие реальной породы от идеально упругой (может быть принят как коэффициент пластичности);

V – общий объем разрушения единичным ударом;

– коэффициент Пуассона;

d – диаметр шпура;

0 – прочность горной породы в условиях объемного сжатия;

– коэффициент полезного действия процесса разрушения, т. е. доля энергии, непосредственно расходуемой на разрушение породы, в общей энергии, передаваемой на инструмент. Для идеально упругой породы предлагается оценка: = 22/[3(1-2)]. В реальных условиях к. п. д. процесса редко превышает 10-15 %.

Линейный размер ядра уплотнения V01 определится выражением:

где величину h можно принять как заглубление бурового инструмента в третьем цикле нагружения.

Приведенные выше соотношения получены для достаточно идеализированной схемы бурения идеально однородных пород. Поэтому конкретные расчеты по данным формулам вряд ли будут адекватны реальному процессу. Однако теория Ю. И. Протасова впервые определила основные параметры разрушения в зависимости от свойств горных пород на основе непротиворечивых схем. В связи с этим полученные соотношения можно вполне корректно использовать для относительных оценок.

Так, из предыдущего уравнения можно записать:

Данное соотношение реализовано в модели. При этом, базой являются установленные во второй главе закономерности изменения свойств пород в поверхностно-активной среде: прочность р(ПАВ) заметно снижается; коэффициент пластичности kПАВ возрастает. Причем количественно эти изменения соответствуют установленным закономерностям роста трещин под действием ПАВ (раздел 2.3).

Четвертый этап определяется уплотнением продуктов разрушения под штампом и принципиального значения для реализации модели не имеет. Принято h = 0,1 h0.

3.5.3. Реализация модели и анализ результатов На основе принятых соотношений разработана компьютерная модель в системе электронных таблиц Microsoft Excel. Компьютерная распечатка программы представлена на рис. 3.10.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

Экспериментальные Прочность при растяжении, Рис. 3.10. Компьютерная распечатка программы математической модели На вход модели подаются исследованные в лабораторных условиях свойства горной породы. По этим данным вычисляется ширина площадки затупления бурового инструмента и линейный размер ядра уплотнения. По приведенным выше соотношениям производится автоматическое построение графиков деформации горной породы при ее разрушении в исходном состоянии и обработанной соответствующим раствором ПАВ.

Характер графиков и их численные выражения позволяют оценить закономерности поведения горной породы на каждом этапе ее нагружения. Так, на графике (рис. 3.10) показан первый цикл нагружения пироксенплагиоклазового порфирита Североуральских бокситовых месторождений. На рис. 3.11 – такой же график для песчаника Горловского региона Донбасса. При примерно одинаковой эффективности действия ПАВ, выраженной в суммарной деформации (заглублении инструмента) первого цикла, характер графиков существенно различен.

Графики деформации горных пород, обработанных ПАВ, показаны пунктирной линией.

Песчаник Донбасса имеет повышенные (по сравнению с порфиритом) значения модуля упругости: Е0 = 12 ГПа; ЕПАВ = 8 ГПа. Это выражается в большем угле наклона участков упругой деформации. Вместе с тем прочность песчаника значительно ниже: р(0) = 11,1 МПа;

р(ПАВ) = 7,2 МПа. При реализации модели это проявляется в более пологом спаде нагрузки, соответствующем большему размеру ядра уплотнения.

Следует отметить, что данная модель реализована для первого цикла нагружения. Как отмечал сам автор теории (И. А. Остроушко) объемы разрушения в последующих циклах по мере углубления инструмента в массив уменьшаются и не имеют правильных геометрических форм, оконтуриваясь сложными поверхностями, которые зависят от свойств и реального строения горных пород и во многом носят случайный характер. Поэтому использовать полученные в модели численные оценки для прогноза реальной производительности бурения некорректно. Однако сопоставление результатов только по первому циклу уже дают ценную информацию об эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессе бурения. Реализация модели позволяет получать оперативную информацию о закономерностях поведения различных пород под буровым инструментом. Наряду с анализом временных рядов контактной прочности пород (см. раздел 2.2) это позволяет более обоснованно осуществлять выбор оптимальных растворов ПАВ для данных горно-геологических условий.

взаимообусловленностью свойств разрабатываемых пород и параметров техники и технологии процесса. На основе комплексного анализа данных факторов методами теории размерностей сформированы критерии эффективности процесса бурения с точки зрения его производительности, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли.

2. Моделирование разрушения горных пород ударом на гравитационном копре показало существенное снижение динамической прочности пород в активной среде. Обработка образцов растворами ПАВ в среднем в 1,5 раза снижает удельную энергоемкость дробления горных пород.

3. На основе физического моделирования процесса бурения в лабораторных условиях установлено, что введение поверхностно-активных веществ в промывочную жидкость в 1,3 – 1,5 раз повышает производительность процесса и в 2 – 3 раза снижает износ бурового инструмента. Установлено расчетное соотношение понижения коэффициента трения бурового инструмента о породу в присутствии активной среды.

4. Разработанная на основе объединения современных теорий бурения математическая модель процесса дает количественную оценку различных стадий внедрения инструмента в горную породу и позволяет обоснованно выбирать эффективный раствор ПАВ в его оптимальной концентрации для данных горно-геологических условий.

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ПРОГНОЗ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

4.1. Организация опытно-промышленных испытаний Коллективом кафедры шахтного строительства под руководством О. Г. Латышева проведена серия опытно-промышленных испытаний по бурению шпуров и скважин с промывкой растворами ПАВ в условиях Североуральских бокситовых рудников (СУБР) и ШСУ №10 треста «Горловскуглестрой» [77, 78]. Цель испытаний – отработка технологии введения ПАВ в промывочную жидкость и количественная оценка эффективности бурения с точки зрения повышения производительности процесса, снижения износа и затупления бурового инструмента, уменьшения выхода пыли.

Всего было произведено 9 промышленных экспериментов. Для обеспечения достоверности результатов в соответствии с разработанной методикой испытаний выполнялись следующие требования.

1. На строящихся горизонтах шахт выбирались забои с однородными по составу и строению горными породами, исключающие тектонические нарушения и нехарактерные включения.

2. Из выбранных забоев отбирались пробы пород, по которым осуществлялся выбор оптимальных растворов ПАВ и определялся комплекс механических свойств пород.

3. Составлялся паспорт БВР таким образом, чтобы обеспечить равномерное по всему забою чередование шпуров, буримых с водой и растворами ПАВ, 4. Бурение как с промывкой водой, так и растворами ПАВ производилось в идентичных условиях (один и тот же бурильщик и буровой станок).

5. При переходе от бурения с промывкой водой к бурению с промывкой раствором ПАВ производилась смена буровых коронок.

По условиям бурения все промышленные эксперименты можно разделить на три группы.

Первая серия опытов (№1 - №4) выполнена для условий проходки горизонтальных выработок по пироксен-плагиоклазовым порфиритам при строительстве шахт «НовоКальинская» и №12–12 бис.

Вторая серия опытов (№5, №6) производилась для условий разработки месторождений СУБРа где основной объем бурения связан с проходкой нарезных выработок в известняках, вмещающих пластообразную залежь бокситов.

Третья серия опытов (№7 - №9) выполнена для условий треста «Горловскуглестрой», где основной объем горно-капитальных работ связан с бурением мелко и среднезернистых песчаников, залегающих на большой глубине. Опытное бурение производилось в забоях горизонтальных выработок и вертикальных стволов.

Шпуры, буримые с промывкой водой и раствором ПАВ, чередовались по всей площади забоя выработок. Измерение скорости бурения производилось следующим образом. На буровую штангу по всей длине через 250 мм наносились метки, и с помощью секундомера фиксировалось время бурения шпура на данную глубину.

При оценке износа и затупления бурового инструмента реализовалась следующая аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,001 г и микрометром определялись геометрические размеры коронок. После бурения одинакового объема (по 8 шпурометров) с промывкой водой и растворами ПАВ коронки тщательно промывались, и теми же средствами измерялась их масса и размеры.

Определение запыленности рудничной атмосферы производилось согласно «Инструкции утвержденной Госгортехнадзором СССР 13 ноября 1979 года. Контрольное измерение производилось бойцами соответствующих военизированных горноспасательных частей (ВГСЧ). Для отбора пылевых проб применялся в качестве побудителя тяги для протягивания воздуха через фильтр портативный пылеотборник ППО-1. Отбор навески пыли производился на фильтр АФА-ВП-10 из перхлорвиниловой ткани. Взвешивание фильтра осуществлялось на аналитических весах ВЛА-200-М. Прокачивание рудничного воздуха производилось из рабочей зоны бурильщика на протяжении 30 минут со скоростью 20 л/мин. Перед каждым замером выработка предварительно орошалась в течение 2 минут.

Перед производством опытного бурения из экспериментального забоя отбирались пробы пород, и производилось комплексное определение их свойств.

Сводка результатов опытного бурения представлена в табл. 4.1. Для проверки значимости (не случайности) расхождения между средними значениями скорости бурения с промывкой водой и растворами ПАВ использовался статистический критерий Стьюдента в виде [131]:

где Х1 и Х2 – средние значения скорости бурения с промывкой раствором ПАВ и водой, вычисленные по числу опытов, соответственно, n1 и n2;

S – средневзвешенное значение стандартного отклонения.

№ Горная порода, ПАВ Коэффициент Скорость бурения Vб, мм/с Для всех опытов (табл. 4.1) вычисленное значение критерия Т больше критического (при Р = 0,999). Следовательно, с достаточно большой уверенностью можно утверждать, что разница в скорости бурения не случайна, т. е. использование в качестве промывочной жидкости растворов ПАВ существенно повышает скорость бурения шпуров в изученных горных породах.

При производстве опытного бурения определялось изменение скорости бурения по интервалам. Во всех случаях отмечено, что по мере заглубления шпуров скорость бурения нелинейно уменьшается, что связано с выходом шпуров в зону опорного давления выработки и ухудшением условий бурения. В табл. 4.2 в качестве примера приведены результаты замеров по интервалам бурения для условий опыта №2. Пироксен-плагиоклазовый порфирит забоя заезда на технологическую скважину гор. –860 м шахты «Ново-Кальинская» СУБРа. Бурение горизонтальных шпуров перфоратором ПП-63В с промывкой раствором AlCl3 – 0,001 %.

Сопоставление изменения скорости бурения с промывкой водой и раствором ПАВ (рис.

4.1) позволило установить следующее. Зависимость скорости бурения от глубины шпуров L описывается степенной функцией вида;

Рис. 4.1. Изменение скорости бурения по мере заглубления шпуров При традиционном способе бурения (с промывкой водой) а = 17,2; m = 0,34.

Коэффициент достоверности аппроксимации составляет R2 = 0,98. Падение скорости бурения с промывкой раствором ПАВ значительно медленнее: а = 9,8; m = 0,12; коэффициент достоверности аппроксимации составляет R2 = 0,98.

Поскольку условия бурения были заведомо одинаковыми, снижение скорости бурения может быть обусловлено только повышением прочности пород по мере удаления от контура выработки. Это связано с распределением напряжений в приконтурном массиве, т. е. с выходом шпуров в зону опорного давления. Тогда становится очевидным тот факт, что с ростом прочности пород эффективность использования поверхностно-активных веществ при бурении повышается. На рис. 4.2 приведен график относительного роста скорости бурения с использованием ПАВ по мере заглубления инструмента.

Рис. 4.2. Относительны рост скорости бурения шпуров при использовании ПАВ Уравнение связи:

Для данных условий (рис. 4.2) k = 0,46. Коэффициент корреляции r = 0, свидетельствует о статистически надежной линейной зависимости относительного роста скорости бурения с промывкой растворами ПАВ от глубины шпуров. Такая же тенденция прослеживается для всех опытных забоев. При этом угловой коэффициент изменяется в интервале k = 0,3 – 0,6, что связано с особенностями распределения напряжений в приконтурном массиве, обусловленными различием в свойствах массива, глубине заложения выработок и их размерами.

соответствуют прогнозным оценкам лабораторного моделирования, изложенным в предыдущей производительности бурения от глубины шпуров подтверждает полученные на модели данные (см. рис. 4.1 и 3.5; рис. 4.2 и 3.6). Полученная на модели оценка коэффициента трения бурового инструмента о породу (уравнение (3.58)) подтверждается результатами шахтного бурения.

Косвенно результаты опытного бурения подтверждают адекватность математической модели процесса (раздел 3.5), поскольку полученное в модели отношение заглубления инструмента в исходных породах и в растворах ПАВ соответствует относительному изменению скорости опытного бурения. Таким образом, полученные в третьей главе прогнозные оценки можно надежно использовать для оценки эффективности использования ПАВ в процессе бурения.

Следующей задачей исследований является установление закономерностей изменения скорости бурения в зависимости от свойств буримых пород и технологических параметров процесса. В главе 3 представлены результаты анализа, позволившие установить набор свойств пород, определяющих эффективность бурения.

Для этого из опытного забоя отбирались пробы и методом «прозвучивания»

определялись динамический модуль упругости Ед и коэффициент Пуассона. Затем путем анализа временных рядов контактной прочности Рк (см. раздел 2.2) выбирались эффективные растворы ПАВ в их оптимальной концентрации. Для каждой горной породы в естественном состоянии и обработанных выбранным раствором ПАВ определялся комплекс свойств и коэффициент неоднородности пород kн по формуле (3.50). Значения свойств, формирующих критерий эффективности бурения (см. раздел 3.1) приведены в табл. 4.3. Здесь условия бурения (номера забоев) соответствуют данным табл. 4.1.

Корреляционный анализ взаимосвязи полученных в разделе 3.1 безразмерных комбинаций и результатов шахтных экспериментов позволил установить структуру и формулу критерия эффективности:

где n, Q – частота и энергия ударов при перфораторном бурении.

Здесь qi = 106 – множитель, полученный из условия нормирования критерия эффективности в интервал значений от 0 до 10. Взаимосвязь значений критерия эффективности с полученными результатами шахтных экспериментов представлена на рис. 4.3.

На графике отмечается четкая линейная зависимость:

с коэффициентом корреляции r = 0,88. Коэффициент вариации опытных значений скорости бурения от полученных по уравнению (4.5) составляет Квар = 25,7 %. Такая погрешность соответствует вариации свойств горных пород в единичных определениях. Это позволяет считать найденное уравнение (4.5) вполне приемлемым для практического прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах бурения.

Рис. 4.3. Взаимосвязь скорости бурения шпуров и критерия эффективности Следует отметить, что высокая эффективность бурения с использованием в качестве промывочной жидкости растворов ПАВ обусловлена не только (и даже не столько) ослаблением самой поверхности забоя шпура или скважины, сколько общей системой взаимодействия горной породы, поверхностно-активной среды и бурового инструмента. Так если рассматривать одиночный удар при одномоментной подаче раствора на поверхность породы, то в силу малого времени воздействия ПАВ, указанный выше эффект получить невозможно. Об этом свидетельствует, в частности, характер временных рядов контактной прочности (Гл. 3). Однако при многократном последовательном действии бурового инструмента на горную породу образуется достаточно обширная зона трещиноватости, куда проникают активные растворы, ослабляя буримый массив на значительную глубину. Последнее обстоятельство и является решающим.

4.3. Оценка износа и затупления бурового инструмента Опытно-промышленные испытания проводились в забое (№4) вскрывающего квершлага гор. –800 м шахты 12-12 бис СУБРа. Предварительно из забоя отбирались пробы (пироксенплагиоклазовый порфирит) и определялся комплекс их свойств. Для этих же пород производилось моделирование износа бурового инструмента (см. раздел 3.4).

Бурение шпуров в шахтных условиях производилось тремя коронками КТ-40 с промывкой водой и тремя – с промывкой 0,001 % раствором AlCl3. Каждой коронкой пробурено по 8 шпурометров. Перед началом бурения все коронки маркировались и взвешивались в взвешивались. Результаты представлены в табл. 4.4.

Средняя потеря массы бурового инструмента при бурении с промывкой водой составляет 1,68 г или в расчете на 1 м шпура – 210 мг/м. Эти же значения при промывке раствором ПАВ составляют 1,21 г и 151 мг/м. Следовательно, потеря массы коронок при использовании ПАВ уменьшилась в 1,4 раза.

Измеренная в опыте абразивность данных порфиритов составила Z0= 230 мг. После воздействия раствором ПАВ эта величина снизилась до ZПАВ = 148 мг, т. е. в 1,55 раза (см.

раздел 3.4). Очевидно, несоответствие результатов обусловлено тем, что износ и затупление бурового инструмента определяется не только абразивностью горных пород, но и рядом других факторов, которые рассмотрены в разделе 3.1.3.

Анализ и сопоставление полученных здесь безразмерных комбинаций опытным данным позволил сформировать критерий эффективности бурения с точки зрения износа и затупления бурового инструмента:

Здесь qi = 1011 – множитель, полученный из условия нормирования критерия эффективности в интервал значений от 0 до 10. Для условий данного шахтного эксперимента, входящие в формулу критерия показатели имеют следующие значения: прочность твердого сплава коронки [] = 1,8 ГПа; диаметр шпуров d = 42 мм; частота ударов n = 30 1/с; энергия Q = 63 кДж. Свойства буримых пород в исходном состоянии и обработанных раствором ПАВ при ведены в табл. 4.5.

Коэффициент трения бурового инструмента о горную породу оценивался по данным моделирования процесса (раздел 3.4) как среднее значение превышения скорости бурения в ПАВ по отношению к исходной породе fтр(0)/fтр(ПАВ) = VПАВ/V0. Расчет выполненный для данных условий показал, что коэффициент эффективности (4.6) для исходных пород составляет К и(0) = 3,02; для ПАВ – Ки(ПАВ) = 4,23. Отношение Ки(ПАВ)/ Ки(0) = 1,40, что в точности соответствует полученному в шахтных экспериментах относительному снижение износа бурового инструмента. Это подтверждает работоспособность предложенной формулы критерия эффективности (4.6).

Из теории и практики следует [62], что при бурении с промывкой растворами ПАВ для поддержания той же производительности процесса периодичность замены инструмента можно увеличить в следующей пропорции:

Тогда для условий опытного бурения tПАВ/t0 = 1,44 = 3,8. Это означает, что смену коронок при использовании ПАВ следует производить в 3,8 раза реже, чем при обычной технологии.

Теоретический анализ механизма пылеобразования в процессе бурения (раздел 3.1.4) показывает потенциально высокую эффективность использования ПАВ с точки зрения уменьшения запыленности шахтной атмосферы. В соответствии со структурой критерия эффективности (3.28): К3 = k0 (Ср/Сп) разупрочнение горных пород в поверхностно-активной среде уменьшает объем ядра уплотнения и, следовательно, количество образующейся пыли (Сп). Помимо этого, уже образовавшаяся пыль более активно выпадает из шахтной атмосферы за счет повышения смачиваемости мельчайших частиц при их выходе из шпура.

промышленные эксперименты на шахтах Урала и Донбасса [74]. Опытное бурение производилось в забое вскрывающего квершлага гор. – 800 м шахты №12-12 бис СУБРа по эффузивным породам пироксен-плагиоклазового состава. Бурение осуществлялось ручным перфоратором ПР-30. Определение запыленности рудничной атмосферы производилось шестым военизированным горноспасательным отрядом (СУБР) согласно «Инструкции по контролю содержания пыли на предприятиях горнорудной промышленности», утвержденной Госгортехнадзором СССР.

Для отбора пылевых проб применялся в качестве побудителя тяги для протягивания воздуха через фильтр портативный пылеотборник ППО-1. Отбор навески пыли производился на фильтр АФА-ВП-10 из перхлорвиниловой ткани. Взвешивание фильтра осуществлялось на аналитических весах ВЛА-200-М в лаборатории отряда. Прокачивание рудничного воздуха производилось из рабочей зоны бурильщика на протяжении 30 минут со скоростью 20 л/мин.

Выполнено по 3 замера как при бурении с промывкой водой, так и с промывкой раствором AlCl3 в концентрации 0,001 %. Перед каждым замером выработка предварительно орошалась в течение 2 минут.

Результаты испытаний показали следующее. Среднее значение запыленности рудничной атмосферы при бурении шпуров с промывкой водой составляет 12,3 мг/м3. При бурении с промывкой раствором ПАВ запыленность снизилась до 6,0 мг/м3, т. е. в 2,05 раза.

Аналогичным образом определялась запыленность при бурении известняков в забое орта-заезда №13 гор. –620 м шахты №14 СУБРа. Результаты замеров в шахтных условиях ВГСО №6 показали, что содержание пыли при традиционном способе бурения составляет 26, мг/м3. При переходе на бурение с промывкой раствором MgCl2 – 0,1 % содержание пыли в атмосфере уменьшилось до 12,0 мг/м3, т. е. в 2,21 раза.

Такой же эксперимент выполнен при бурении шпуров по песчаникам в рассечке ствола №5 шахты им. Изотова (Донбасс). Результаты замеров, полученные сотрудниками ВГСО №1, показали, что содержание пыли в шахтной атмосфере при бурении шпуров с промывкой водой составляет 11,0 мг/м3. Переход на бурение с промывкой 0,1 % раствором хлорида магния уменьшил запыленность до 3,0 мг/м3, т. е. 3,7 раза.

Аналогичные исследования выполнены при бурении вертикальных шпуров на углубке ствола №4 той же шахты. Здесь, несмотря на подтопление призабойной части ствола, запыленность атмосферы при использовании ПАВ уменьшилась в 1,6 раза (с 15 до 9,5 мг/м3).

Во всех случаях из опытных забоев отбирались пробы пород, и определялся комплекс их свойств. Сопоставление результатов моделирования и промышленных экспериментов по бурению шпуров с вариантами безразмерных комбинаций, полученных в разделе 3.1.4, позволил сформировать структуру критерия эффективности процесса бурения с точки зрения выхода пыли. При этом, вместо прочности горных пород при растяжении р, определяющей работу ядра уплотнения, принята их контактная прочность Рк, которая однозначно связана с р (см. раздел 2.6). Такая замена произведена из тех соображений, что р нуждается в дополнительных определениях, а контактная прочность исследуется на первоначальной стадии выбора поверхностно-активной среды. Окончательно критерий запишется в виде:

Здесь нормирующий множитель составил qi = 108.

Результаты сопоставления отношения величин критерия эффективности К3(ПАВ)/К3(0) с выходом пыли при бурении приведены в табл. 4.6.

Величина критериев К3 закономерно увеличивается при бурении с промывкой растворами ПАВ. Для полного соответствия данным промышленных экспериментов по выходу пыли необходимо использовать приведенные в таблице значения коэффициента k0, характеризующие эффективность слипание мелких фракций в шпуре за счет действия ПАВ (эффективность подавления уже образовавшейся пыли). Для непосредственного определения величины данного коэффициента необходимы исследования адсорбционной способности ПАВ, что связано со значительной трудоемкостью и выходит за рамки задач данной работы.

Для экспрессной оценки величины k0 можно использовать отношение модулей упругости исходных пород и обработанных раствором ПАВ - Е0/ЕПАВ. Действительно, пластифицирование горных пород в поверхностно-активной среде обусловлено адсорбционной способностью ПАВ и может служить ее косвенной оценкой. Анализ экспериментальных данных показал, что k0 = 0,76 Е0/ЕПАВ с коэффициентом корреляции r = 0,95. Однако следует отметить, что эти данные получены всего лишь по трем точкам, соответствующим числу нуждающиеся в дополнительных исследованиях.

поверхностно-активных веществ для снижения запыленности шахтной атмосферы при бурении шпуров. Количественной мерой эффекта может служить полученное нами выражение критерия (4.8).

4.5. Прогноз буримости горных пород на основе имитационного Полученные критерии эффективности бурения с точки зрения производительности процесса, износа инструмента и выхода пыли помимо технологических параметров включают свойства горных пород. Полученные в предыдущих разделах оценки получены по средним значениям свойств, измеренных на пробах пород, извлеченных из опытных забоев. Однако каждый из полученных показателей имеет естественную вариацию значений. Обобщение имеющейся на кафедре шахтного строительства обширной базы данных по свойствам горных пород Урала дает следующие данные (табл. 4.7) [62].

В этой связи каждый из критериев эффективности следует рассматривать как единый комплексный показатель горной породы, характеризующий ту или иную сторону процесса бурения. Для изучения такого показателя эффективным инструментом может служить имитационное моделирование (метод Монте-Карло). По классическому определению – это численный метод решения математических задач при моделировании случайных величин [133].

Особенно эффективен данный метод при изучении явлений, ход которых определяется множеством случайных независимых факторов, учесть которые в единой детерминированной модели не представляется возможным. К таким явлениям в полной мере относится процесс бурения горных пород.

В таком процессе в зависимости от сочетания различных случайных факторов природа сама реализует одну из бесконечного множества вероятных возможностей. Поэтому достоверную информацию о закономерностях явления можно получить лишь статистическими методами при достаточно большом объеме испытаний. В теории инженерного эксперимента хорошо известно, что надежность (точность) полученных результатов пропорциональна квадрату числа анализируемых экспериментов (n2). Следовательно, для повышения точности результатов анализа в 10 раз нужно увеличить число (объем) экспериментов в 100 раз. В реальных условиях – задача непосильная. Однако при современных быстродействующих ЭВМ с использованием метода Монте-Карло такая задача решается весьма просто и быстро. При этом главным условием является адекватность математической модели реальному процессу.

Это обеспечивается надежным установлением закономерностей протекания процесса и сопоставлением результатов функционирования модели характеристикам процесса в реальных условиях для конкретной горной породы.

Имитация вероятностных аспектов процесса и явлений основана на генерации случайных чисел. Например, в системе электронных таблиц Microsoft Excel появление случайного равномерно распределенного числа в интервале от 0 до 1 вызывается командой последовательного ряда чисел, возводимых в разную степень с отбросом целой части получаемого результата. Эти числа, вычисляемые по формуле, имеют периодичность и не являются строго случайными. Их называют псевдослучайными, но величина периода повторяемости этих чисел настолько велика, что для решения инженерных задач их вполне можно принимать как случайные.

Большинство физических характеристик пород имеют нормальное распределение:

где a – истинное значение измеряемой величина, оценкой которого является среднее арифметическое;

S – среднее квадратическое отклонение.

В этом случае генерация случайных чисел производится по формуле:

где ri – случайное равномерно распределенное число в интервале от 0 до 1.

В ряде случаев распределение значений свойств пород имеет явно выраженную асимметрию. В подобной ситуации наилучшим описанием является распределение Вейбулла:

Формула для генерации случайных чисел:

На этой основании нами разработаны компьютерные имитационные программы, генерирующие полученные выражения критериев эффективности и характеристик процесса бурения.

Моделирование производительности бурения Базой модели служат полученные уравнения критерия эффективности (раздел 4.2):

и скорости бурения:

Принимая технологические параметры бурения n, Q, d постоянными, в модели генерируются характеристики буримых пород. На вход модели подаются установленные в опыте средние значения свойств а и параметры их распределения (S,, ). При оценке скорости бурения по формуле (4.13) необходимо учитывать установленную погрешность взаимосвязи – Квар = 25,7 % = 0,257:

На основании этого составлена компьютерная модель имитационного моделирования. В качестве примера ниже приведены результаты реализации модели для условий бурения в забое №3 шахты «Ново-Кальинская» с промывкой раствором ПАВ (см. раздел 4.2). На рис. 4. представлена гистограмма распределения значений скорости бурения по результатам итераций программы. Для количественной оценки распределения программа автоматически вычисляет наиболее значимые статистические характеристики (табл. 4.8).

Рис. 4.4. Гистограмма и теоретическая кривая распределения скорости бурения Статистические характеристики результатов имитационного моделирования Анализ статистических характеристик показывает следующее. Средняя скорость бурения (5,79 + 0,29) мм/с соответствует результатам, полученным в опыте. Проверка гипотезы о нормальном распределении признака дала положительный результат. Наблюдаемое значение 2 = 7,14 не превышает критического значения 2кр = 9,49. Однако на гистограмме распределения видно, что имеется явно выраженная правая асимметрия. Это подтверждается величиной коэффициента А = 1,10 > 0.

Таким образом, разработанная процедура имитационного моделирования позволяет осуществлять прогноз эффективности использования ПАВ в процессе бурения и оценивать его погрешность. Указанный подход реализован также при разработке имитационной модели прогноза критериев эффективности процесса бурения с точки зрения износа бурового инструмента и выхода пыли.

Полученные критерии эффективности бурения с точки зрения производительности процесса, износа инструмента и выхода пыли помимо технологических параметров включают свойства горных пород. При этом возникает следующая проблема. Каждый из определяемых в лабораторных условиях показателей свойств имеет вполне приемлемую точность (Квар = 10 – %). Однако при их перемножении в формуле критерия относительные погрешности суммируются, и при одновременном использовании в формуле 4 – 5 показателей результат прогноза вообще может стать неопределенным. Для разрешения данной ситуации предлагается следующий подход.

Каждый из критериев эффективности следует рассматривать как единый комплексный показатель горной породы, характеризующий ту или иную сторону процесса бурения. Для критерия эффективности (4.13) такой комплексный показатель включает комбинацию плотности пород, динамического модуля упругости Ед, коэффициента Пуассона, контактной прочности Рк и коэффициента неоднородности пород kн:

Розыгрыш в разработанной модели комплексного показателя свойств при величине нормирующего показателя qi = 107 показал его устойчивость и наличие нормального распределения (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Распределение величины комплексного показателя свойств горных пород Статистические характеристики распределения: среднее арифметическое – 5,78;

коэффициент вариации – 16,1 %; 2 = 10,0 (2кр = 11,07).

Следует отметить, что определение всего комплекса свойств пород, входящих в данный показатель, процедура весьма трудоемкая, связанная с отбором проб, их доставкой и исследованиями в достаточно оснащенной лаборатории. Для упрощенной процедуры оценки данных показателей требуется выполнить корреляционный анализ и найти взаимосвязь между ними. Для анализа принято уравнение:

Выбор в качестве критерия показателя контактной прочности Рк обусловлен тем, что его величина обязательно определяется при выборе эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации (см. раздел 2.2), т. е. она известна. Кроме того, данный показатель несложно определить в забойных условиях (например, с помощью прибора МГД).

Для определения параметров уравнения (4.17) использована ранее разработанная имитационная модель, где на каждом уровне контактной прочности генерировались и усреднялись по 100 значений каждого из входящих в формулу показателей. В результате корреляционного анализа получена зависимость (рис. 4.6), которая описывается уравнением регрессии:

Рис. 4.6. Зависимость комплексного показателя свойств от величины При розыгрыше данного уравнения его параметры варьировали в интервалах: а = (17 – 19)103 и n = 1,9 – 2,1. Средний коэффициент вариации результатов генерации от полученной кривой составляет Квар = 13,2 %, что вполне приемлемо для практических расчетов.

Таким образом, результаты имитационного моделирования подтверждают достоверность предложенной модели прогноза буримости горных пород по полученному критерию эффективности (4.13) и дают возможность учесть природную изменчивость характеристик горных пород.

4.6. Элементы технологии и экологические аспекты применения ПАВ Эффективное использование ПАВ при бурении требует строго дозированной подачи активных молекул в промывочную жидкость. Серийно изготовляемые промышленностью дозаторы-смачиватели типа ДСУ предназначены к использованию как пенообразователи для подавления пыли и применительно к решению задач данной работы обладают рядом недостатков. Их конструкция не обеспечивает изменения заданной концентрации раствора и не позволяет осуществлять контроль состава и расхода смеси. Кроме того, в условиях глубоких горизонтов шахт часто наблюдаются значительные изменения давления сжатого воздуха и воды в шахтных магистралях, что вызывает произвольное колебание концентрации раствора на выходе дозатора. Все это обусловливает необходимость совершенствования конструкции дозирующе-подающего устройства (ДПУ), которое при минимальных габаритах и массе позволило бы создавать и контролировать заданную концентрацию ПАВ в растворе и автоматически поддерживать нужные параметры при работе бурильных машин.

С этой целью на кафедре шахтного строительства УГГУ сконструировано, изготовлено и апробировано дозирующее подающее устройство [66], конструкция которого представлена на рис. 4.7. Здесь в качестве двигателя используется модернизированный крыльчатый водомер типа УВК без счетного механизма. Поток воды, проходящий через водомер, передает крутящий момент от крыльчатки через вал и соединительную муфту штоку 1 дозирующего насоса поршневого типа. Поршнем является шток 2 диаметром 10 мм, который за счет пружины имеет возвратно-поступательное движение. Перемещаясь вверх, шток 2 под давлением подает нужное количество концентрированного раствора ПАВ через штуцер 2 и обратный клапан в промывочную ветвь водопровода. При вращении штока 1 в его крайне нижнем положении образуется камера, в которую через штуцер 1 поступает концентрированный раствор ПАВ из соответствующей емкости. При дальнейшем повороте штока раствор ПАВ вытесняется из камеры в сеть водопровода через штуцер 2. Штоки и гильзы выполнены из высококачественной термически обработанной стали и их рабочие поверхности тщательно отшлифованы.

Рис. 4.7. Конструкция ДПУ и схема его включения в шахтную магистраль На основе разработанного и изготовленного ДПУ определена технология использования ПАВ (разработаны и утверждены соответствующие руководства в трестах «Бокситстрой», «Горловскуглестрой» и ПО СУБР). Применительно к процессу бурения основной идеей предлагаемой технологии является введение в промывочную жидкость строго определенного количества поверхностно-активных веществ, обеспечивающее заданную концентрацию раствора. Все остальные элементы горной технологии остаются неизменными (традиционными).

В зависимости от характера и объема предполагаемых работ возможны следующие схемы установки дозирующе-подающего устройства.

1. При проходке протяженных выработок или работе в отрабатываемом блоке ДПУ может устанавливаться непосредственно у места работ с прямым подключением в сеть шахтного трубопровода.

2. При ведении работ в нескольких забоях одновременно ДПУ монтируется в сеть трубопровода в месте его разветвления к забоям.

3. Для бурения шпуров в вертикальных стволах при использовании в качестве промывочной жидкости воды из призабойной (подтопляемой) части ствола предусматривается размещение на проходческом полке резервуара с концентрированным раствором ПАВ.

По результатам независимой экспертизы в лаборатории института «Уралмеханобр»

установлено отсутствие значимого влияния применяемых ПАВ на состав шахтных вод.

Получено заключение Свердловского областного отдела здравоохранения и разрешение областной санитарно-эпидемиологической станции на применение указанных поверхностноактивных веществ в процессах подземной разработки месторождений.

При использовании ПАВ растворы контактируют с металлом трубопроводов, насосов, буровых станков, что может вызвать их коррозию. Для изучения этого вопроса выполнена серия лабораторных экспериментов по исследованию коррозионной стойкости металлов в контакте с водой и водными растворами ПАВ [66]. В результате установлено, что использование рекомендованных к применению растворов ПАВ не снижает коррозионную стойкость контактирующего с ними горного оборудования.

Таким образом, использование ПАВ при бурении не только экологически безопасно, но и улучшает санитарно-гигиенические условия труда за счет уменьшения запыленности шахтной атмосферы.

4.7. Математическая модель оптимизации параметров проходческого цикла при Повышение механической скорости бурения за счет использования в качестве промывочной жидкости специально подобранных растворов ПАВ позволяет интенсифицировать данный процесс в любой горной технологии, связанной с буровзрывными работами. В частности, это позволяет сократить время бурения комплекта шпуров при проходке горных выработок. Из технологических соображений продолжительность проходческого цикла должна быть кратной рабочей смене. Тогда за счет сокращения времени бурения появляется возможность пробурить более глубокие шпуры. Это неизбежно повлечет за собой изменение других процессов проходческого цикла: заряжания и взрывания, уборки взорванной породы, крепления и пр. Поскольку все эти процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены, для математической модели. Рассмотрим такую модель применительно к проходке горизонтальной горной выработки.

4.7.1. Аналитическая модель процесса бурения шпуров Общая продолжительность бурения комплекта N шпуров или скважин глубиной L В свою очередь, среднее время бурения включает время механического (чистого) бурения t0 и затраты времени на вспомогательные операции tвсп. Как правило, на бурении задействовано m буровых станков. Тогда:

Очевидно, что t0 определится скоростью чистого бурения V0, которая может интерпретироваться как буримость горных пород:

Время регламентированных перерывов tпр включает время tлн, отводимое на личные надобности бурильщика, и время отдыха tотд, составляющее k0 долей от оперативного времени бурения. Можно принять tотд = k0NL/(mV0). Окончательно, с учетом выражений (4.19 – 4.21), общее время бурения определится по формуле:

Производительность (скорость) процесса бурения определится отношением:

Скорость чистого бурения V0 зависит от свойств буримых пород, принятой техники и технологии процесса и может быть определена соответствующим критерием эффективности с учетом действия ПАВ (см. раздел 4.2). Вспомогательные операции включают замену буровых коронок. При использовании ПАВ продолжительность этой операции tвсп сокращается за счет уменьшения износа инструмента (см. раздел 4.3).

4.7.2. Аналитическая модель процесса уборки породы Общее время операции погрузки горной массы складывается из времени выполнения работ первой фазы t1, когда погрузка производится машиной без применения ручного труда, и второй фазы t2, когда осуществляется подкидка породы с боков к погрузочной машине, зачистка (подгребание) в призабойном пространстве.

где = 1,15 – 1,25 – коэффициент, учитывающий время подготовительно-заключительных операций, ремонта и смазки машины;

tм – время погрузки машиной;

tп – время перерывов в погрузке, связанных с заменой вагонеток.

Здесь где Vп = Lшп S Kp – объем взорванной горной породы, предназначенной к погрузке, тогда:

где = 0,85 – 0,95 – доля объема породы первой фазы погрузки, - коэффициент использования шпуров (КИШ), Кр – коэффициент разрыхления горной породы, Qт – техническая производительность погрузочной машины.

где t3 – время замены груженой вагонетки на порожнюю, Vв – объем (вместимость) вагонетки, k3 = 0,9 – 0,95 – коэффициент заполнения вагонетки.

Тогда продолжительность первой фазы погрузки:

продолжительность второй фазы:

где - коэффициент, учитывающий совмещение подкидки породы с работой машины; = 0,4 – 0,8, np – число рабочих, занятых на подкидке породы; можно принять np = m-1, Qp – производительность одного рабочего на подкидке породы; Qp = (0.8 – 1.2) м3/час = (0,013 – 0,022) м3/мин.

Общее время уборки породы:

Параметры уравнения (4.31) определяются горно-геологическими условиями, принятой техникой и технологией работ. При этом входящие в формулу коэффициенты определяются путем шахтных замеров.

4.7.3. Взаимосвязь параметров проходческих процессов (компоновка модели) Интенсификация процесса бурения за счет использования в качестве промывочной жидкости растворов ПАВ позволяет увеличить глубину шпуров. Это влечет за собой изменение параметров других процессов проходческого цикла, что должно учитываться в модели.

Буровзрывные работы С увеличением глубины шпуров чистая скорость их бурения уменьшается. Это обусловлено выходом шпуров в зону опорного давления, где горные породы находятся в объемном напряженном состоянии, что сопровождается увеличением их плотности и прочности. Кроме того, с возрастанием длины бурового снаряда ухудшаются условия его работы, т. е. передачи ударного импульса или вращающего момента. Эти факторы учитываются установленной шахтными экспериментами зависимостью (см. раздел 4.2).

Очевидно, в такой же пропорции будет изменяться удельный расход ВВ и число шпуров для размещения дополнительного заряда. Кроме того, увеличение глубины шпуров может потребовать изменения конструкции вруба. В частности, при глубоких шпурах потребуется переход от клинового к прямому врубу.

В общем случае с увеличением глубины шпуров улучшаются условия погрузки горной породы. Во-первых, в этих условиях для обеспечения заданного КИШ обычно увеличивают удельный расход ВВ и число шпуров на забой, что способствует улучшению качества дробления породы и повышению производительности погрузочной машины. Во-вторых, увеличение глубины шпуров сопровождается ростом объема разрушенной породы и, следовательно, толщины слоя подготовленной к погрузке горной массы. Кроме того, уменьшается относительное (на 1 м3 отбитой породы) влияние неровностей поверхности почвы выработки. Все это позволяет повысить эффективность работы погрузочной машины.

При увеличении количества отбитой породы снижается относительный объем работ второй фазы погрузки (ручной подкидки), что выражается в увеличении коэффициента (см.

уравнение (4.31)). Действительно, объем породы у стенок выработки, который требует ручной подкидки Vр, с увеличением общего объема убираемой горной массы Vобщ в данных условиях не увеличивается. Доля объема породы первой фазы:

Отсюда Vp = (1- ) Vобщ. Тогда при увеличении объема отбитой породы с V0 до Vx доля объема первой фазы погрузки:

Учитывая неизменную площадь забоя, окончательно получим:

Последнее уравнение позволяет рассчитать увеличение доли механизированной погрузки (долю первой фазы) при изменении глубины шпуров. Аналогичным образом в модели учитывается изменение продолжительности других процессов проходческого цикла, в частности, крепления горных выработок.

Крепление горной выработки Большое разнообразие типов крепи, способов и средств ее возведения не позволяют однозначно определить продолжительность процесса по фактическим затратам времени на отдельные операции. В этой связи расчет ведется по нормам выработки. При анализе уже продолжительность процесса крепления t0 при данной глубине шпуров L0 и числе крепильщиков no. В общем случае продолжительность процесса складывается из времени выполнения основных, вспомогательных и подготовительно-заключительных операций. Тогда продолжительность возведения крепи при изменении глубины шпуров можно описать выражением:

где ai – доля операций, зависящих от глубины шпуров (величины уходки), bi - доля операций, не зависящих от величины уходки.

Величина долевых коэффициентов ai и bi зависят от вида и характера процесса, принятой технологии, уровня механизации и изменяется в широких пределах. Так при возведении постоянной крепи можно принять:

консольных или переносных крепей.

4.7.4. Реализация модели Полученные соотношения послужили основой компьютерной оптимизационной модели, решаемой методом последовательных приближений и разработанной на кафедре шахтного строительства. Рассмотрим реализацию модели для условий проходки горизонтальной выработки в условиях Североуральских бокситовых рудников, где были получены основные результаты по использованию поверхностно-активных веществ.

Произведем расчет цикличной организации труда при бурении шпуров с промывкой растворами ПАВ. В качестве примера примем условия проходки вскрывающего квершлага гор.

– 860 м СУБРа.

Параметры исходной технологии:

- глубина шпуров l0 = 1,75 м;

- коэффициент использования шпуров = 0,9;

- бурение шпуров диаметром 42 мм осуществляется перфоратором ПП63В;

- скорость чистого бурения Vч = 24,3 см/мин;

- удельный расход ВВ (детонит М) q = 2,95 кг/м3;

- число шпуров на забой N = 40;

- расход ВВ на цикл Q = 60 кг;

- число перфораторов в забое m = 3;

- вруб клиновой;

- погрузка породы осуществляется машиной 2ПНБ-2 технической производительностью QТ = 2,5 м3/мин в вагонетки ВГ-2,5 вместимостью Vв=2,5 м3;

- коэффициент разрыхления Кр = 2,2;

- крепление штанговое – осуществляется вне цикла;

- продолжительность цикла Тц = 7 часов.

- проветривание осуществляется в межсменный перерыв.

Паспорт буровзрывных работ приведен на рис. 4.8.

Непосредственные шахтные испытания в забое квершлага показали, что использование в качестве промывочной жидкости 0,001 % раствора AlCl3 увеличивает чистую скорость бурения до Vч(пс) = 5,7 мм/с = 34,2 см/мин и снижает износ буровых коронок в 2,2 раза. Реализация на ЭВМ оптимизационной программы позволила получить следующие результаты.

Использование поверхностно-активных веществ позволяет при том же оборудовании и неизменной продолжительности цикла увеличить глубину шпуров до 2,05 м. Новый паспорт БВР представлен на рис. 4.9. Графики цикличной организации труда по исходному варианту и с использованием ПАВ представлены на рис. 4.10.

Рис. 4.9. Паспорт БВР для новой технологии с использованием ПАВ Рис. 4.10. Графики цикличной организации труда:

а - для исходной технологии; б - для новой технологии с использованием ПАВ Таким образом, при трехсменной работе и 25 рабочих днях скорость проходки при использовании ПАВ увеличилась со 118 м/мес до 138 м/мес, т. е. в 1,17 раза. Следует отметить, что это минимально возможная оценка. Здесь не учтено снижение износа и затупления буровых коронок при использовании ПАВ, повышение производительности работы погрузочной машины при увеличении объема отбитой породы и пр. Поэтому в реальных условиях повышение скорости проходки выработки можно ожидать большим, чем дают расчеты.

4.7.5. Экономическая оценка технологии проходки В результате реализации программы и анализа проходческих процессов проектируется новая технология строительства выработки, представляемая циклограммой работ. Завершением работы по оптимизации параметров проходческого цикла является экономическое сравнение вариантов исходной и предлагаемой технологии. В общем случае мерой эффективности технологии является снижение затрат на сооружение горной выработки. Общая стоимость готовой выработки складывается из прямых нормируемых Спн, общешахтных Сош, накладных Сн расходов и плановых накоплений Сп.

Прямые нормируемые расходы выражаются суммой затрат на заработную плату С зп, материалы См, энергию Сэ и амортизацию оборудования Сам:

Затраты на зарплату, отнесенные к 1 м горной выработки могут быть определены следующим выражением:

где ki, ti – соответственно, расценка на i-ю операцию и ее продолжительность.

Затраты на материалы:

где k3 – коэффициент неучтенных (малоценных) материалов;

Vi, Zi – соответственно, объем i-ых материалов, расходуемых в каждом проходческом цикле, и их цена единицы объема.

Затраты на энергию:

- цена 3,6 МДж электроэнергии или 1 м3 сжатого воздуха;

где Wi = Mi ti k1 k2 / - затраты электроэнергии или расход сжатого воздуха каждой забойной машиной за время ее работы ti в одном проходческом цикле;

Mi – мощность машины или расход сжатого воздуха каждым потребителем, установленным в забое, кВт или м3/час;

k1, k2 – коэффициенты использования машины по мощности и во времени;

- к.п.д. электродвигателя ( = 0,9) или пневмодвигателя ( = 0,5).

Амортизационные отчисления:

где Ai – амортизационные отчисления по каждой машине.

Затраты на энергию и амортизационные отчисления могут быть учтены единым показателем – стоимостью эксплуатации забойных машин:

где Bi – полная стоимость эксплуатации забойной машины в течение часа.

Общешахтные расходы включают затраты на подъем, вентиляцию, водоотлив, транспорт в шахте и на поверхности, обслуживание надшахтных технологических комплексов и др. Размер общешахтных расходов обычно составляет от 40 до 110% от прямых нормируемых затрат:

При выполнении сметных расчетов рекомендуется принимать:

Кош = 1,0 – для первого периода строительства (проходка стволов, сопряжений, камер загрузки, водоотлива);

Кош = 0,8 – для второго периода (проходка околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок до сдачи шахты в эксплуатацию);

Кош = 0,5 – для третьего периода (то же, что во втором периоде, но на действующей шахте).

аппарата, с расходами на социальное страхование, охрану труда и технику безопасности и т.п.

Их размер установлен в долях Кн от прямых расходов – Кн = 0,283 для угольной промышленности и Кн = 0,271 – для других отраслей.

Плановые накопления установлены с целью рентабельной работы предприятия и составляют 8% от суммы прямых затрат и накладных расходов:

Общая стоимость 1 м горной выработки:

строительства является увеличение скорости проходки выработок. Тогда, если известны стоимостные показатели исходной технологии, то величина затрат при интенсификации проходческих процессов определится по формуле:

где Ci(0) – расходы i-го вида при исходной технологии;

Ai, Bi – доля условно-постоянных и пропорциональных затрат;

KV = Vx /V0 – коэффициент увеличения скорости проходки выработки.

Отсюда относительное снижение i-ого вида затрат:

Величина коэффициентов Ai и Bi для разного вида затрат составляет:

Для расчета сметной стоимости используются следующие нормативные документы:

Строительные нормы и правила – СНиП IV-5-82, Глава 5, Приложения. Сборник 38. Горнопроходческие работы;

строительных машин;

СниП IV-4-82, Приложение. Сборник сметных цен на материалы;

Единые нормы и расценки (ЕНИР) на строительно-монтажные и ремонтные работы. Сборник Е36, выпуск 1, 1982.

Применительно к описанным выше условиям проходки получены следующие результаты.

- относительное снижение прямых нормируемых затрат составляет:

- относительное снижение общешахтных затрат составляет:

- относительное снижение накладных затрат составляет:

- плановые накопления составят:

Общая стоимость 1 м готовой выработки при новой технологии строительства сократиться:

Таким образом, использование поверхностно-активных веществ не только повышает скорость бурения, но и в целом увеличивает скорость проходки, что дает ощутимый экономический эффект.

использования поверхностно-активных веществ в качестве промывочной жидкости при бурении шпуров, включающая:

- процедуру выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации для данных горно-геологических условий [раздел 2.2];

- систему прогнозных оценок эффективности использования ПАВ с точки зрения производительности бурения, износа и затупления бурового инструмента, пылеподавления [глава 3];

- руководство по организации процесса бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ;

- компьютерную программу проектирования рациональных параметров проходческого цикла, учитывающую технологию бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ [раздел 4.7].

На основе моделирования процесса бурения и опытно-промышленных испытаний установлено, что использование ПАВ позволяет повысить скорость бурения шпуров на 25 – 50%. Уменьшение за счет действия ПАВ абразивного износа бурового инструмента снижает (от 20 до 40 %) степень затупления коронок и в 1,5-3,0 раза увеличивает время их работы до замены. За счет улучшения условий работы инструмента и адсорбции молекул ПАВ на поверхности частиц породы в несколько раз уменьшается выход пыли при производстве бурения шпуров и скважин.

Моделирование действия взрыва на ударном копре [раздел 3.2] показало существенное повышение качества дробления пород, обработанных раствором ПАВ. Изучение кинетики насыщения массива активными растворами [раздел 2.2] позволяет выполнить прогнозную оценку степени проникновения ПАВ в массив. Установлено, что за время бурения комплекта шпуров при проходке выработок растворы ПАВ, используемые как промывочная жидкость, насыщают массив на 30 – 60 % и тем самым в такой же пропорции оказать влияние на повышение качества дробления пород взрывом.

Установленные закономерности активизации трещинообразования горных пород в поверхностно-активной среде позволили дать прогнозную оценку эффективности использования ПАВ в процессе отбойки блоков пород невзрывчатыми разрушающими составами (НРС). Общий эффект достигается как за счет повышения скорости бурения шпуров, так и облегчения развития межшпуровой трещины, что позволяет уменьшить количество шпуров при отбойке.

Теоретические разработки в виде методик и компьютерных программ моделирования процессов трещинообразования и разрушения пород могут быть использованы в научных исследованиях соответствующих лабораторий научно-исследовательских и проектных организаций.

Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций, методик и компьютерных программ переданы для использования Институту горного дела УрО РАН, ООО «Унипромедь», ОАО «Уралгипротранс», Магнитогорскому государственному техническому университету.

Значительная часть исследований послужила основой для подготовки учебников и учебнометодических пособий по дисциплинам, регламентируемым новыми Федеральными государственными образовательными программами высшего специального образования (ФГОС-3) направления подготовки «Горное дело»: «Моделирование физических процессов в горном деле», «Моделирование процессов буровзрывных работ», «Математические методы в горном деле». Стандартами ФГОС-3 предусмотрен большой объем научно-исследовательской работы студентов, при разработке программы которой также используются рекомендации данной диссертации и предусмотрено участие в их составлении автора диссертации.

1. Для верификации полученных прогнозных оценок использованы результаты опытнопромышленных испытаний по бурению шпуров, выполненные кафедрjq шахтного строительства для различных горно-геологических условий месторождений Урала и Горловского региона Донбасса. Использование в качестве промывочных жидкостей растворов ПАВ приводит к увеличению скорости бурения в 1,2 – 1,5 раза; уменьшению в 1,2 – 1,4 раза износа и затупления бурового инструмента; снижению в 1,6 – 3,7 раза выхода пыли.

Сопоставление полученных результатов с данными моделирования процесса показывает работоспособность и адекватность предлагаемых количественных оценок.

2. Дисперсионный и корреляционный анализ результатов исследования свойств пород, полученных на модели прогнозных оценок и данных промышленных испытаний, позволил окончательно установить формулы критериев эффективности бурения с точки зрения производительности процесса, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли.

Полученные уравнения связи величины критериев с показателями опытного бурения дают точность сопоставимую с естественной вариацией этих показателей, что позволяет использовать полученные критерии для надежного прогноза эффективности использования ПАВ в процессе бурения.

3. Для учета природной изменчивости свойств горных пород, формирующих критерий эффективности бурения, разработана имитационная модель (метод Монте-Карло), реализация которой подтвердила достоверность предложенной модели прогноза буримости горных пород.

Установленная взаимосвязь комплексного показателя свойств с величиной контактной прочности пород позволяет оперативно оценивать величину критерия эффективности и прогнозировать скорость бурения шпуров в данных горно-геологических условиях по стандартной технологии и с промывкой растворами ПАВ.

4. Исследование взаимосвязи технологических параметров проходки горных выработок показывает, что бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ не только повышает скорость бурения, но положительно сказывается на эффективности других процессов проходческого цикла. Расчет, произведенный для реальных условий проходки вскрывающего квершлага СУБРа, показал, что использование ПАВ позволяет повысить скорость проходки в 1,17 раза, что дает снижение затрат на строительство выработки в среднем на 20 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научно-практической задачи моделирования и прогноза эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами, имеющее существенное значение для теории и практики разработки месторождения полезных ископаемых.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования в работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработана методика выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, базирующаяся на определении статистических и фрактальных характеристик временных рядов контактной прочности горных пород.

2. Установлены закономерности развития трещинной структуры и изменения комплекса свойств горных пород под действием поверхностно-активной среды. Дана новая интерпретация критериев прочности Гриффитса, учитывающая реальную геометрию трещин по их фрактальной размерности. Разработана методика прогноза изменения прочности и упругости пород под действием ПАВ, позволяющая получать оперативную информацию для проектирования процесса бурения горных пород.

3. На основе аналитических исследований и моделирования разработана математическая модель процесса ударного бурения, учитывающая разупрочняющее и пластифицирующее действие поверхностно-активных веществ на разрабатываемые горные породы. Модель процесса дает количественную оценку различных стадий внедрения инструмента в горную породу и позволяет обоснованно выбирать эффективный раствор ПАВ в его оптимальной концентрации для данных горно-геологических условий.

4. На основе комплексного анализа взаимодействия и взаимообусловленности свойств разрабатываемых пород и параметров техники и технологии процесса методами теории размерностей сформированы критерии эффективности процесса бурения с точки зрения его производительности, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли.

5. Для учета природной изменчивости свойств горных пород, формирующих критерий эффективности бурения, разработана имитационная модель (метод Монте-Карло), реализация которой подтвердила достоверность предложенной модели прогноза буримости горных пород.

Установленная взаимосвязь комплексного показателя свойств с величиной контактной прочности пород позволяет оперативно оценивать величину критерия эффективности и прогнозировать скорость бурения шпуров в данных горно-геологических условиях по стандартной технологии и с промывкой растворами ПАВ.

6. Использование в качестве промывочных жидкостей растворов ПАВ приводит к увеличению скорости бурения в 1,2 – 1,5 раза; уменьшению в 1,2 – 1,4 раза износа и затупления бурового инструмента; снижению в 1,6 – 3,7 раза выхода пыли. Сопоставление полученных результатов с данными моделирования процесса показывает работоспособность и адекватность предлагаемых количественных оценок.

7. Разработана компьютерная оптимизационная модель технологии проходки горных выработок, учитывающая интенсификацию процесса бурения при использовании ПАВ.

Реализация модели показывает, что бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ не только повышает скорость бурения, но положительно сказывается на эффективности других процессов проходческого цикла. Расчет, произведенный для реальных условий проходки вскрывающего квершлага СУБРа, показал, что использование ПАВ позволяет повысить скорость проходки в 1,17 раза, что дает снижение затрат на строительство выработки в среднем на 20 %.

организациях: Институте горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ООО «Унипромедь». Полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы при подготовке учебников по дисциплинам: «Физика горных пород», «Моделирование физических процессов в горном деле», регламентируемым Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС-3), а также при проведении занятий по данным курсам, в которых автор принимает непосредственное участие.

Авдулов П.В. Математическое программирование в горной промышленности. –М.:

МГИ, 1970. –278с.

Адсорбционное понижение прочности кристаллов щелочных галогенов. / В.Ю.Траскин, Н.В.Перцов, З.Н.Скворцова и др. // ДАН СССР. –1970. Т.191, №4. –С. 876-879.

Александров А.П., Журков Н.С. Явление хрупкого разрыва. – М.: ГТТИИ, 1933. – 51 с.

Алексеев А.Д. Обработка выбросоопасных пластов водными растворами ПАВ / А.Д.

Алексеев, Г.П. Стариков, М.Ф. Малюга, О.С. Аносов. – Киев.: Тэхника, 1988. – 86 с.

Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. Предельное состояние горных пород. –Киев: Наукова думка, 1982. –200с.

Анохина О.О. Прогнозирование свойств горных пород и параметров процессов их разрушения на основе компьютерного банка данных: Дис. … канд. техн. наук: 25.00.20.

– Екатеринбург, 2002. – 215 с.

Баренблатт Г.И. Автомодельные явления – анализ размерностей и скейлинг. Пер. с англ.:

Долгопрудный: «Интеллект», 2009. – 216 с.

Барон Л.И. Горнотехнологическое породоведение. Предмет и способы исследований. М.: Наука, 1977. –324с.

Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород. –М.: Недра, Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород. –М.: Недра, 1966. –168с.

Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. –М.: Изд. АН СССР, 1963. –167с.

Барон Л.И., Кузнецов А.В. Абразивность горных пород при добывании. –М.: Изд. АН СССР, 1961. –168с.

Барон Л.И., Хмельковский И.Е. Разрушаемость горных пород свободным ударом. –М.:

Наука, 1971. –203с.

Бартенев Г.Н., Юдина И.В., Ребиндер П.А. К теории самопроизвольного диспергирования твердых тел. // Коллоидный журнал. –1958. -№5. –Т.20. –С. 655-664.

Беркович М.Г., Бухман Я.З. Промышленная пыль. –Свердловск: Сред. Урал. кн. изд-во, Берон А.И., Чирков С.Е. Исследование прочности горных пород в условиях трехосного неравномерного сжатия. // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1969. –С. 33-38.

Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород. –М.: Недра, 1971. –272с.

Венделин А.Г. Процесс принятия решения. –Таллин: Валгус, 1973. –216с.

Вестбрук Дж. Действие адсорбированной воды на пластическую деформацию неметаллических твердых тел // Чувствительность механических свойств к действию среды / Избранные доклады на международном симпозиуме. –М.: Мир, 1969. –С. 257-273.

Вествуд А., Прис К., Камдар М. Хрупкое разрушение в присутствии адсорбционноактивных жидких металлов // Чувствительность механических свойств к действию среды / Избранные доклады на международном симпозиуме. –М.: Мир, 1969. –С. 118-180.

Витке В. Механика скальных пород. Пер. с нем. – М.: Недра, 1990. – 439 с.

Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещиноватости нагруженных горных пород / О.Г.Латышев, Н.И.Иванова, С.С.Иванова, Н.В.Перцов // Изв. вузов.

Горный журнал. –1988. -№12. –С.4-8.

Воздвиженский Б.И., Мельничук И.П., Пешалов Ю.А. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения. –М.: Недра, 1973. –240с.

Воздействие водных растворов поверхностно-активных веществ на состояние выбросоопасных угольных пластов / А.Д.Алексеев, Н.В.Недодаев, Г.П.Стариков и др. // Внезапные выбросы на больших глубинах. –Киев: Наукова думка, 1979. –С. 45-52.

Волков С.Д. Статистическая природа прочности. – Свердловск: Машгиз, 1960. – 175 с.

Воронков Г.Я., Кусов Н.Ф., Марцинкевич Г.И. Влияние сложного напряженного состояния на проявление поверхностных явлений в твердых телах // Физ. –хим.

механика и лиофильность дисперсных систем. –1985, Вып. 18. –С. 46-51.

Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И. Воздействие адсорбционно-активной среды на уголь в условиях сложного напряженного состояния // Науч. труды ИГД им. А.А.Скочинского, Вып. 224. –С. 30-35.

Воронков Г.Я., Марцинкевич Г.И., Исаева Н.Ю. Адсорбция ПАВ из растворов и снижение прочности угля // Способы и средства управления состоянием массива / Науч.

сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского. –1987. –С. 24-28.

Временное руководство по исследованию эффективности применения ПАВ при механическом разрушении горных пород. –М.: Изд. ИГД им. А.А.Скочинского, 1990. –32с.

Временное руководство по прогнозу выбросоопасности угольных пластов и вмещающих пород по данным геофизических исследований геологоразведочных скважин в Донецком бассейне. –М.: Изд. ИГД им. А.А.Скочинского, 1989. –48с.

Гальянов А.В., Гордеев В.А. Применение вероятностных схем к задачам из практики горного дела. –Екатеринбург: Изд. УГГУ, 2005. –157 с.

Геращенков И.Ф., Суслов В.В., Кремер Ф.Ф. Борьба с пылью в породных забоях. –М.:

ЦНИЭИУголь, 1977. –26 с.

Гликман Е.Э., Горюнов Ю.В. Механизм жидкометаллической хрупкости и других проявлений эффекта Ребиндера в металлических системах // Физ. –хим. механика материалов. –1978, №4. –С. 20-30.

Глушко В.Т., Борисенко В.Г. Инженерно-геологические особенности железорудных месторождений. –М.: Недра, 1978. –254с.

Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в угольных шахтах.

–Киев: Наукова думка, 1978. –224с.

Греч С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. –М.: Мир, 1970. –407 с.

Гухман А.А. Введение в теорию подобия. –М.: Высшая школа, 1973. –296с.

Дудушкина К.И., Бобров Г.Ф. Деформационные свойства пород глубоких горизонтов. – М.: Недра, 1974. –129с.

Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977. –288 с.

Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А., Савельев В.Н., Султанов У. О прогнозировании разрушения горных пород // Изв АН СССР. Физика Земли, 1977. №6. –С. 11-18.

Забигайло В.Е., Лукинов В.В., Репка В.В. Эффективность воздействия на горный массив текучими и структурное районирование Донбасса // Изв. вузов. Горный журнал. –1988. С. 1-5.

Зажинаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. –М.: Атомиздат, 1978. –231с.

Звягинцев Л.И., Томашевская И.С., Хамидуллин Я.Н. Образование трещинных структур в условиях неравномерного сжатия // Изв. АН СССР, Сер. геол., №3, 1974. –С. 83-93.

Ирвин Дж., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушения // Разрушение. Том 3.

Инженерные основы и воздействие внешней среды. –М.: Мир, 1976. – С.17-66.

Ищук И.Г. Исследование способа ослабления угольного массива нагнетанием в пласт воды под высоким давлением // Труды конф. по разрушению углей и пород. –М.: Высшая школа, 1963. –С. 87-99.

Каждан А.Б., Гуськов О.И., Шиманский А.Л. Математическое моделирование в геологии и разведке полезных ископаемых. –М.: Недра, 1979. –168с.

Канторова Т.А., Френкель Я.И. Статистическая теория хрупкой прочности реальных кристаллов. // Журнал технической физики, 1941, -XI, № 3. –С. 173-181.

Карасв К.А. Формирование критериев эффективности процессов бурения на основе теории размерности // Международная научно-практическая конференция «Уральская горная школа - регионам» г. Екатеринбург, 8-9 апреля. (Уральская горнопромышленная декада, г. Екатеринбург, 1-10 апреля 2013 г.): сборник докладов / Оргкомитет: Н. Г.

Валиев (отв. за выпуск) и [и др.]; Уральский государственный горный университет. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. - С. 246-247.

Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород. –М.: Изд-во МГГУ, 2004. –222с.

Карякин В.А., Боровиков А.С. Люминесцентная и цветная дефектоскопия. –М.:

Машиностроение, 1972. – 239 с.

Качанов Л. М. Основы механики разрушения. – М.: Наука, 1974. –312 с.

Кинетика смачивания угольной пыли водными растворами поверхностно-активных веществ / И.Г.Ищук, С.Н.Подображин, Г.Я.Воронков и др. // Борьба с силикозом. –М.: Наука, 1982, Т.

11. –С. 17-23.

Колесников В.Г., Андреев С.Ю., Рыжов Г.А. Изменение физического состояния угольного пласта при его физико-химической обработке // Физика и процессы разрушения горных пород. –Киев: Наукова думка, 1987. –С. 127-131.

Колесников Н.А., Рахимов А.К., Брыков А.А., Булатов А.И. Процессы разрушения горных пород и резервы повышения скорости бурения. –Ташкент: ФАН, 1989. –188с.

Круглицкий Н.Н., Мартынова Л.М. Диспергипрование порошков синтетических алмазов с применением поверхностно-активных веществ // Физ. –хим. механика и лиофильность дисперсных систем. –Вып. 18, -Киев: Наукова думка, 1986. –С. 19-27.

Крылов С.С., Бобков Н.Ю. Фракталы в геофизике: Учеб. пособие. –СПб: Изд-во СПб университета, 2004. -138 с.

Крюков Г.М., Глазков Ю.В. Феноменологическая квазистатическо-волновая теория деформирования и разрушения материалов взрывом зарядов промышленных ВВ. –М.: Изд.

МГГУ, 2003. –67с.