На правах рукописи

САЖИН ПАВЕЛ ВАСИЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО

ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск - 2007

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель – доктор технических наук Клишин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Маметьев Леонид Евгеньевич кандидат технических наук Репин Анатолий Антонович

Ведущая организация – Институт угля и углехимии СО РАН (г. Кемерово)

Защита состоится «_» _ 2007 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН Автореферат разослан «_» _ 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Угольные пласты с труднообрушающимися кровлями составляют четвертую часть всех отрабатываемых подземным способом пластов в Кузбассе и с увеличением глубины ведения очистных работ их доля постоянно увеличивается. Основные кровли таких пластов представлены преимущественно песчаниками мощностью – 40 м, а в отдельных случаях более 40 м и прочностью более 80 МПа. Основной проблемой при отработке угольных пластов с такими кровлями является то, что они склонны к зависанию на огромных площадях. Это может привести к внезапному их обрушению и, как следствие, к материальным потерям и человеческим жертвам, связанными с ударной волной, прямыми динамическими воздействиями, взрывом метана, вытесненного из завальной части обрушающимся породным массивом кровли. Примером катастрофических последствий внезапного обрушения кровли служат случаи, произошедшие в последнее время на шахтах Кузбасса и, особенно на шахте “Ульяновская”. Поэтому развитие технологий принудительного разупрочнения труднообрушающихся кровель является наиболее приоритетным направлением исследований, позволяющих повысить безопасность и эффективность ведения очистных работ.

Одним из наиболее перспективных способов разрушения прочных горных пород, с точки зрения безопасности, производительности, экологичности, является метод направленного гидроразрыва (НГР). Однако известные средства нарезания инициирующих щелей (ИЩ) и устройства герметизации, являющиеся основными в технологической схеме реализации способа, не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии. Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении. Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов. В связи с этим, проведение исследований по изучению направлений совершенствования технических средств для метода направленного гидроразрыва является актуальной задачей.

Исследования выполнены в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН по теме 28.4.2. “Развитие научных основ освоения углеводородного сырья на месторождениях Сибири, создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий их переработки”.

Цель работы - обоснование параметров и разработка технических средств для метода направленного гидроразрыва горных пород, позволяющего повысить безопасность и эффективность очистных работ в лавах с труднообрушающимися кровлями.

Идея работы заключается в обосновании параметров щелеобразователя и герметизатора, обеспечивающих гарантированное развитие искусственной трещины в плоскости нарезанной инициирующей щели путем создания в горном массиве растягивающих усилий.

Задачи исследований:

• провести анализ существующих методов разрушения прочных горных пород и обобщить научно – технический опыт создания средств образования инициирующих щелей на стенках шпуров и их герметизации; обосновать требования к конструкции щелеобразователя, реализация которых обеспечит гарантированное развитие ИЩ в заданном направлении.

• провести стендовые и теоретические исследования по определению параметров силового воздействия уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура в зависимости от свойств материала уплотнений и их предварительного поджатия, установить рациональную траекторию движения резца и, необходимое для обеспечения баланса между усилием резания и ресурсом инструмента, усилие осевой подачи;

• разработать методику и схемы проведения НГР с использованием модернизированных конструкций герметизатора и щелеобразователя для снижения нагрузок на охранные целики и секции механизированной крепи, уменьшения шага первичной посадки кровли.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения научно – технического опыта разработки средств создания инициирующих щелей и герметизации шпуров, проведением лабораторных исследований на стенде, аналитических расчетов, реализацией шахтных экспериментов.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Механические свойства материала уплотняющих элементов герметизатора влияют на направленность гидроразрывов и степень герметизации изолируемого участка шпура, а его выбор зависит от прочности горных пород, в которых осуществляется НГР, причем в более прочных породах рекомендуется использовать материалы с большей прочностью на сжатие (например, полиуретан).

2. Параболический профиль направляющих уклонов щелеобразователя обеспечивает максимальный (по сравнению с прототипом) диаметр нарезаемой инициирующей щели, а дополнительная поверхность для отвода стружки из зоны резания позволяет, с увеличением выхода резца, уменьшить усилие резания, повысить производительность и долговечность режущего органа.

3. Использование усовершенствованных конструкций щелеобразователя и герметизатора в технологии НГР обеспечивает развитие инициирующей щели в заданном направлении за счет перераспределения нагрузок на массив в загерметизированной зоне шпура.

Достоверность научных положений обеспечивается достаточным объемом результатов стендовых испытаний уплотняющих элементов, применением современной аппаратуры и методов обработки данных экспериментов, сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований в шахтных условиях.

Научная новизна:

- исследовано силовое влияние уплотняющих элементов герметизатора на стенки шпура и обоснован выбор материала уплотнений в зависимости от прочности горных пород;

- обоснована траектория движения режущих органов щелеобразователя, позволяющая увеличить диаметр инициирующей щели;

- установлена зависимость изменения усилия резания, действующего на режущие органы щелеобразователя, от осевого усилия подачи;

- установлено, что на пологопадающих пластах (более 15°) глубина заложения шпуров НГР, обеспечивающая подбучивание обрушаемых пород кровли, зависит от угла падения пласта.

Практическая значимость работы. Разработан стенд для испытания уплотнений герметизирующего устройства; обоснована конструкция уравновешенного герметизатора для шпуров диаметром 45 мм и щелеобразователя, обеспечивающая увеличенный диаметр нарезаемой инициирующей щели, определены и использованы технологические схемы НГР на шахтах с труднообрушающимися кровлями, опасных по внезапному выбросу газа и пыли.

Реализация работы. Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по применению метода НГР на угольных шахтах “Березовская” и “Первомайская” (ОАО УК “Кузбассуголь”).

Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении испытательного стенда и проведения на нем исследований, а также математической модели для проведения аналитических расчетов взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура, и рациональной траектории движения режущих органов щелеобразователя. Автор также принимал активное участие в проведении шахтных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на II Международной конференции “Динамика и прочность горных машин” (Новосибирск, 2003 г.), Международной конференции “Неделя горняка - 2004” (Москва, 2004 г.), на технических советах в ОАО УК “Кузбассуголь”, шахтах “Первомайская” и “Березовская”.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе получено патента РФ на изобретения.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы, 71 рисунок и список литературы из 89 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю, Заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук В.И. Клишину. Особую благодарность и глубокую признательность автор выражает кандидату технических наук Ю.М. Леконцеву за помощь, поддержку и внимание на всех этапах работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены существующие способы разрушения прочных горных пород и средства их реализации (буровзрывные, механические, гидравлические и др.), выделены их достоинства и недостатки. Обоснован вывод о целесообразности развития метода направленного гидроразрыва. Суть метода заключается в следующем (рис. 1): на стенках шпура 1 нарезается инициирующая щель 2, являющаяся концентратором напряжений, которая герметизируется специальным устройством (герметизатором 3) и, при нагнетании рабочей жидкости под высоким давлением в загерметизированное пространство, развивается в массиве, в плоскости ее заложения.

Анализ известных средств нарезания инициирующих щелей (ИЩ) и устройства герметизации, являющихся основными в технологической схеме реализации способа НГР показал, что они не позволяют добиться высокой эффективности этой технологии. Существующие модели щелеобразователей, вследствие своих конструктивных особенностей, не обеспечивают создания на стенках шпуров инициирующих щелей, диаметром, необходимым для гарантированного страгивания и развития искусственной трещины в заданном направлении. Кроме того, нет объективной однозначной информации о причинах разгерметизации ИЩ в процессе проведения гидроразрывов. Поэтому для успешного развития этого метода необходимо повысить эффективность технических средств его осуществления, а именно:

- увеличить диаметр нарезаемой инициирующей щели;

- повысить степень герметизации шпура при проведении гидроразрывов.

Вторая глава посвящена исследованию взаимодействия уплотняющих элементов герметизирующего устройства со стенками шпура для определения степени их влияния на направление развития трещин, области применения, в зависимости от прочности горных пород, уплотнений, выполненных из различных материалов, а также разработке усовершенствованной конструкции герметизатора. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стенда, схема которого представлена на рис. 2.

Стенд состоит из корпуса 1, с жестко закрепленным основанием 2, и герметично установленной в нем оси 3, на которой расположены втулки 4, и испытуемое уплотнение 5.

Пространство, ограниченное втулкой 4` и внутренней поверхностью корпуса 1, является рабочей камерой 6. Втулки 4, 4` посажены на ось 3 свободно и не препятствуют поступлению рабочей жидкости через канал 7 в рабочую камеру 6. Предварительное осевое нагружение уплотняющих элементов осуществляется силовым устройством, которое состоит из тарельчатых пружин 8, установленных на оси 3 и гайки 9.

Система измерения осевых деформаций испытуемого уплотнения включает две пластины 10 и 10`, на одной из которых закреплен индикатор перемещений 11, а на второй – регулировочный болт 12 с контргайкой 13, взаимодействующий с индикатором перемещений 11. Для измерения радиальных деформаций корпуса 1, используется регистрирующая аппаратура 15 (ПИП 3-1-М) с тензодатчиками 14 (ТЛ-100).

Рабочую жидкость подают в корпус 1 насосом 16 через рукав высокого давления и канал 7, выполненный в оси 3. Величину давления рабочей жидкости в рабочей камере стенда контролируют с помощью визуального манометра 18 или самопишущего манометра (на рис. 2 не показан).

При проведении экспериментальных исследований на стенде, в качестве испытуемого уплотнения были использованы образцы цилиндрической формы размерами: a – внутренний диаметр уплотнения (27,5 мм), b – внешний диаметр уплотнения (45 мм), c – длина уплотнения (48 мм), изготовленные из полиуретана марки - СКУ ПФЛ – 100 (условная прочность при растяжении – 31 МПа; относительное удлинение при разрыве – 350 %;

твердость – 90 А (по Шору)) и резины (условная прочность при растяжении – 12,7 МПа;

относительное удлинение при разрыве – 300 %; твердость – 40 – 50 А (по Шору)). Выбор материалов для изготовления уплотняющих элементов обусловлен их широким применением в горнодобывающих машинах и механизмах. В то же время они значительно отличаются между собой по механическим свойствам, что позволило предварительно оценить степень (получить более полную “картину”) влияния свойств материала уплотнений на взаимодействие их со стенками шпура.

На рис. 3 приведены результаты измерений максимального давления, превышение которого приводит к разгерметизации рабочей камеры стенда (в дальнейшем “уплотняемого давления”) и деформации корпуса стенда в зависимости от предварительного осевого сжатия уплотняющих элементов, выполненных из различных материалов.

D, м*10Е- Рисунок 3 – результаты лабораторных исследований: а – зависимость изменения “уплотняемого давления” от предварительного поджатия при использовании полиуретанового уплотнения; б – резинового; в – деформация корпуса стенда (1 – при использовании полиуретанового уплотнения, 2 - резинового) Стендовые исследования показали, что материал уплотнения значительно влияет на степень герметизации шпура, и как следствие, повышает усилия на его стенки. Для обоснования применения уплотняющих элементов герметизатора, выполненных из различных материалов, на основании полученных результатов, с использованием уравнений сопротивления материалов, определены усилия, действующие на корпус стенда со стороны уплотняющих элементов. В качестве математической модели принято однородное тело цилиндрической формы, нагруженное внутренним давлением (см. рис. 4). При этом внутреннее давление является осесимметричной нагрузкой и вдоль оси цилиндра не меняется.

Рисунок 4 - Математическая модель для расчета усилий, действующих на стенки Длина окружности до нагружения цилиндра равна 2r. После нагружения радиус увеличится на u, и длина окружности будет 2(r+u). Относительное окружное удлинение равно:

или Зная величину u, определяем значения деформации t. Решение данной задачи заключается в разрешении системы двух простых уравнений:

где Е – модуль Юнга (для Стали 45 (улучшенная), из которой изготовлен корпус стенда 2 1011 Па), – коэффициент Пуассона (0,3), a, b – соответственно внутренний и внешний радиусы рабочей камеры стенда в месте, где установлен уплотняющий элемент (23,7·10-3 м, 27·10-3 м).

На рис. 5 представлены теоретические зависимости изменения усилия, действующего на стенки корпуса стенда со стороны исследуемого уплотнения от величины “уплотняемого давления”.

Рисунок 5 – Зависимость усилия, передаваемого на стенки корпуса стенда уплотняющим элементом от величины “уплотняемого давления” (1 - для резины, 2 - для полиуретана) Исследования процесса взаимодействия уплотняющих элементов герметизатора и стенок шпура показало, что в прочных горных породах (более 80 МПа) для надежной герметизации шпура и повышения вероятности развития трещины в заданном направлении следует применять уплотнения, выполненные из материалов с прочностью до 50 МПа.

Из результатов проведенных расчетов видно, что усилия, действующие на шпур от уплотняющих элементов, сильно различаются в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Поэтому были проведены расчеты по определению деформации корпуса стенда при использовании полиуретановых и резиновых уплотнений. Вычисления производились на основании метода конечных элементов и прикладного пакета программ COSMOS/M (Результаты вычислений представлены на рис. 6). При решении данной задачи, в качестве нагрузок использовались значения “уплотняемого давления”, полученные экспериментальным способом (рис. 3 а, б). Сравнение результатов (деформации корпуса стенда), полученных теоретическим и экспериментальным методом (рис. 6 и 3 в) для резиновых и полиуретановых уплотняющих элементов, показало их высокую сходимость (в пределах 10%). Это позволяет утверждать, что расчеты, с использованием этого метода позволяют, в зависимости от прочности горных пород, на этапе технического задания, определять силовое воздействие на шпур со стороны уплотнений, выполненных из широкого ассортимента материалов.

Рисунок 6 – Результаты расчета деформации корпуса стенда: а – при использовании полиуретанового уплотнения; б – резинового. 1 – место установки уплотнения, 2 – рабочая камера стенда Помимо усилий от уплотнений разрушению массива вдоль шпура способствуют усилия от рабочей жидкости, действующие на участки стенки шпура между уплотняющими элементами. Поэтому при разработке новой конструкции герметизатора было необходимо уменьшить расстояние между ними. Исходя из этого, было разработано и изготовлено устройство для герметизации инициирующей щели, внешний вид и схема которого представлены на рис. 7. По сравнению с существующими конструкциями пакеров данное устройство обладает значительными преимуществами: одним каналом для подвода рабочей жидкости, а главное, уменьшенным расстоянием между уплотняющими элементами (при конструировании устройства это расстояние было уменьшено до 10 мм).

Рисунок 7 - Усовершенствованный герметизатор: а – конструктивная схема герметизатора; б внешний вид герметизатора с истечением рабочей жидкости. 1 – корпус, 2 – канал, 3 – место для подсоединения к магистрали, 4 – уплотняющие элементы, 5 – поршень, 6 – цилиндр, 7 – радиальное отверстие, 8 – стопорящая гайка, 9 – рабочая камера, 10 – уплотнительные кольца Определив усилия, действующие на шпур от уплотняющих элементов, и зная расстояние между уплотняющими элементами герметизатора, была разработана расчетная схема, представленная на рис. 8, для расчета рационального диаметра ИЩ.

Fу Fу Усилия, действующие на шпур и способствующие развитию трещины в плоскости заложения инициирующей щели равны:

где Fжищ – усилия со стороны жидкости, способствующие развитию трещины вдоль шпура.

Расчеты показывают, что при нарезании инициирующей щели щелеобразователем ЩМ – 45, усилия, определяющие разрушение в направлении, перпендикулярном плоскости инициирующей щели (Fвш=150 кН) составляют 75 % от усилий необходимых для ее развития в нарезанной плоскости (Fищ=200 кН). Поэтому для повышения вероятности развития щели в плоскости ее нарезания необходимо уменьшить это соотношение до 50 %.

Расчет показывает, что для выполнения этого условия диаметр ИЩ должен быть не менее 130 мм.

В третьей главе рассмотрены вопросы создания щелеобразователя для нарезания инициирующей щели диаметром 130 мм из шпуров диаметром 45 мм.

При разработке щелеобразователя учитывались следующие требования:

- повысить надежность щелеобразователя путем обеспечения дополнительной поверхности для отвода стружки из зоны резания;

- обеспечить обильную промывку рабочей зоны;

- угол трения между направляющим уклоном и режущим органом не должен превышать 20°.

Анализ работы щелеобразователя ЩМ – 45 показал, что траектория движения режущих органов нерациональна, так как не используется примерно 20 % ее длины (S). Кроме того, при такой траектории движения режущих органов (рис. 9 а) и их геометрии, с увеличением глубины инициирующей щели растет поверхность резца, участвующая в процессе резания, что отрицательно сказывается на ресурсе инструмента и скорости нарезания Рисунок 9 - Траектория движения режущего органа щелеобразователя ЩМ – 45 (а) и зависимость величины выхода резца R от длины хода L (б) щели. Следовательно, повысить эффективность (рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента) инструмента можно либо увеличением длины направляющих уклонов, либо изменением траектории движения резцов щелеобразователя. Графический анализ показал, что увеличение длины хода резцов путем уменьшения угла наклона уклона не дает эффекта и не позволяет увеличить диаметр нарезаемой инициирующей щели при сохранении исходного диаметра шпура, так как для увеличения диаметра инициирующей щели до значения 130 мм, необходимо увеличить длину хода режущих органов примерно до 40 мм. Для рассматриваемой конструкции щелеобразователя (ЩМ – 45), это конструктивное изменение произвести невозможно, так как дальнейший вывод резцов из корпуса ведет не к увеличению диаметра, а к нарезанию цилиндрической поверхности с полусферическим торцом. Таким образом, исходя из предполагаемой минимальной длины направляющих уклонов, необходимо произвести изменение траектории движения режущих органов с прямолинейной на параболическую. На рис. 10 показана схема предполагаемой траектории движения режущего органа (а) и зависимость величины выхода резца от длины хода (б).

Рисунок 10 – Схема параболической траектории движения режущего органа щелеобразователя ЩМ – 45М (а) и зависимость величины выхода резца R от длины хода L (б) С использованием ограничений, накладываемых на траекторию движения режущего органа (угол трения между направляющим уклоном и скользящим по нему режущим органом < 20°) и уравнения касательной, проведенной к кривой (R R0 = f ' ( L0 )( L L0 ) ), а также условия (при L=32,5 мм R=42,5 мм), были определены неизвестные коэффициенты a, b, c в уравнении параболы. Уравнение траектории движения режущего органа примет вид:

На рис. 11 представлена усовершенствованная конструкция щелеобразователя и траектория движения его режущих органов по параболическим направляющим уклонам.

Рисунок 11 – Щелеобразователь ЩМ-45М: а – внешний вид; б - траектория движения режущего органа Изменение профиля направляющих уклонов позволило увеличить радиус нарезаемой инициирующей щели до 65 мм. Кроме того, образование дополнительной поверхности для вывода стружки из зоны резания (на рис. 11 (б) обозначена желтым) позволяет повысить скорость нарезания ИЩ и долговечность инструмента.

С целью нахождения рационального режима работы щелеобразователя были определены нагрузки, действующие на режущий орган при различных значениях усилия подачи по мере увеличения глубины ИЩ (рис. 12). Усилие резания определялось по показаниям динамометрического устройства, через которое осуществлялось вращение инструмента.

Значения осевых нагрузок на инструмент выбирались исходя из характеристик бурового станка, наиболее широко распространенного на шахтах Кузбасса при бурении шпуров диаметром 45 мм (станки типа БЖ-45-100Э).

Рисунок 12 – Усилие, действующее на режущие органы щелеобразователя: а – ЩМ - 45; б – ЩМ – 45М Как видно из представленных зависимостей, траектория движения режущих органов щелеобразователя ЩМ – 45М и его конструкция обеспечивают благоприятный режим работы инструмента, так как с увеличением глубины инициирующей щели (или выхода резца R) нагрузки на режущий орган (Fрез) уменьшаются. Кроме того, при осевом усилии (Fосев= 500 Н) достигается рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента. При данной конструкции щелеобразователя обеспечивается непрерывная подача промывочной жидкости в рабочую зону, что также повышает долговечность режущих органов. Увеличение радиуса, нарезаемой инициирующей щели до 65 мм, повышает вероятность ее распространения в заданной плоскости.

В таблице 1 представлены основные технические характеристики двух конструкций щелеобразователей ЩМ – 45 и ЩМ – 45М.

Таблица 1. Сравнительные характеристики щелеобразователей Максимальное усилие резания (при осевом В четвертой главе описаны результаты шахтных испытаний. Первые исследования метода НГР, выполненные на основе разработанного оборудования были проведены на шахте “Березовская”. Цель работы - уменьшение шага первичной посадки кровли при выходе механизированной крепи из монтажной камеры и снижение нагрузки на охранный целик путем разупрочнения кровли.

Исходя из горно – геологических условий залегания пласта (таблица 2) была разработана схема расположения шпуров (рис. 11) и определены их параметры.

Таблица 2. Горно – геологические условия на шахте “Березовская” рис. 13, шпуры 1 – 6, выполненные из монтажной камеры, предназначены для уменьшения шага первичной посадки кровли. Шпуры 2, 5 расположены перпендикулярно к пласту. Их глубина, в зависимости от 77, в сторону вентиляционного штрека отрабатываемой лавы № 79 (над охранным целиком) выполнены шпуры 7 – 10 с интервалом 25 – 30 м и глубиной 6 – 8 м под углом 45° к плоскости залегания угольного пласта.

На рис. 14 представлены наиболее характерные зависимости изменения давления рабочей жидкости во времени (t), нагнетаемой в шпуры при проведении НГР на шахте “Березовская”.

P, МПа пределах 28 – 29,5 МПа (участок АВ). Затем, при незначительном скачке давления до 29, – 30,5 МПа (на участке ВС) произошло страгивание инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 10 – 15 МПа (участок СD). После незначительного увеличения давления снова происходит его снижение до 7,5 – 8 МПа (участок DE). Дальнейшее развитие трещины происходит без существенного роста давления рабочей жидкости. Это свидетельствует о прекращении ее распространения.

В ходе проведения первых гидроразрывов выяснилось, что расчет глубины заложения шпуров по ранее используемой формуле не обеспечивает необходимого подбучивания на пластах с углом падения 15 – 18°. Исходя из этого, последующие скважины бурились на глубину, рассчитываемую по следующей, скорректированной, формуле:

где mв – вынимаемая мощность пласта, м; hло – мощность легкообрушающейся кровли, м;

kло, kто – коэффициенты разрыхления пород соответственно легко- и труднообрушающихся пород; – угол падения пласта.

Исходя из результатов экспериментальных исследований, была смоделирована предположительная схема обрушения кровли при выходе механизированного комплекса из монтажной камеры (рис. 15).

Рисунок 15 – Предположительная схема первичного обрушения кровли: а – до выхода крепи из монтажной камеры; б – после выхода. 1 – отсечные шпуры, 2 – нормальные Из опыта отработки данного пласта без гидроразрывов, шаг первичной посадки кровли при выходе механизированных крепей из монтажных камер равнялся 35 – 40 м и обрушение сопровождалось значительными динамическими проявлениями. После проведения гидроразрывов из монтажной камеры № 31 шаг первичной посадки сократился до – 20 м. При этом обрушение произошло плавно, без значительных динамических нагрузок на крепь.

Параллельно со снижением нагрузки на секции механизированной крепи, в ходе проведения исследований, решалась задача уменьшения размеров охранного целика вышележащей лавы (шпуры 7 – 10 на рис. 11). Проведение гидроразрывов проводилось с опережением очистного забоя на 30 – 50 м для снижения вероятности попадания трещины гидроразрыва в зону трещиноватости, образующуюся при посадке основной кровли за механизированным комплексом, в прилегающей к охранному целику зоне.

На рис. 16 представлена зависимость изменения давления в шпурах во времени, наиболее характерная для данной горной выработки и горно - геологических условий рассматриваемого пласта при проведении НГР.

28,1 МПа (участок ВС) происходит страгивание инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 6,5 – 6,7 МПа (участок СD). Затем развитие трещины продолжается до достижения ею свободной поверхности.

Наблюдения подвижек кровли, по которым оценивалась величина нагрузки на охранный целик, проводилась совместно с Центром анкерного крепления Кузбасса (ЦАК).

Данные измерения проводились в конвейерном штреке вышележащей лавы. На рис. представлена схема заложения замерных станций и зависимости смещения кровли от расстояния до лавы. При этом последние гидроразрывы были произведены из шпуров, расположенных в конвейерном штреке № 75 между 1-ой и 3-ей замерными станциями, на расстоянии 140 м от грузового бремсберга № 36 бис.

Рисунок 17 – Измерение смещений кровли: а – схема заложения замерных станций; б – смещение кровли при прохождении лавы относительно замерной станции №3; в – относительно станции № Как видно из представленных графиков, после прохождения лавы относительно замерных станций и прекращения разупрочнения кровли методом НГР величина абсолютного смещения кровли увеличилась на 50 %.

Результаты исследований свидетельствуют об уменьшении нагрузки со стороны основной кровли на охранный целик и об изменении характера обрушения ее после прохождения очистного забоя. Проведение разупрочнения кровли методом НГР позволило снизить ширину охранного целика с первоначально планируемых 20 до 5 м.

Целью исследований, проводимых на шахте “Первомайская” в лаве № 33 являлось снижение нагрузки на сохраняемую горную выработку, исследование возможности снижения концентрации напряжений в забойной части отрабатываемого столба путем гидроразрыва (разупрочнения) кровли Бурение шпуров осуществлялось по схеме, представленной на рис. 18. С целью сохранения конвейерного штрека № 33 и использования его в качестве вентиляционного для подготовляемой лавы № 35, после прохождения комплекса, по его висячему борту пробивался органный ряд из деревянной крепи.

Горно – геологические условия на участке проведения работ представлены в таблице 3. Бурение шпуров осуществляется до установки в монтажной камере механизированной крепи, а гидроразрывы проводятся после монтажа крепи.

Таблица 3. Горно – геологические условия на шахте “Первомайская” Рисунок 18 – Исследования метода НГР на шахте “Первомайская”: а – схема заложения скважин; б – характерная зависимость изменения давления при проведении гидроразрывов в вентиляционном штреке; в – в На рис. 18 представлены характерные зависимости изменения давления во времени при проведении гидроразрывов в шпурах вентиляционного и конвейерного штреков. Показано, что после увеличения давления до 27 – 27,5 МПа (точка А) наступает его стабилизация (участок АВ). В последующие 30 - 40 с оно колеблется в пределах этого значения. При скачке давления до 27,5 – 29,5 МПа (участок ВС) происходит страгивание инициирующей щели и резкое падение давления до отметки 9,5 - 10 МПа (точка D). Затем развитие трещины продолжается до достижения ею свободной поверхности.

Исследования на шахте “Первомайская” показали, что в результате реализации метода НГР снизилось количество вывалов угля из груди забоя, а также уменьшилось давление в гидроцилиндрах секций механизированной крепи с максимальных 45 МПа до 35 МПа (то есть, примерно на 20 %). Данные наблюдения косвенно свидетельствуют о снижении горного давления в районе сохраняемой горной выработки и об уменьшении его концентрации в забойной части отрабатываемого столба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, заключающиеся в определение параметров средств нарезания на стенках шпура инициирующих щелей и их герметизации, обеспечивающих повышение эффективности метода направленного гидроразрыва.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ существующих способов разрушения прочных горных пород, показал актуальность развития метода направленного гидроразрыва для разупрочнения прочных горных пород. Одним из путей усовершенствования способа является модернизация средств его реализации: выбора, в зависимости от прочности горных пород, материала для уплотняющих элементов герметизатора, увеличения диаметра инициирующей щели, нарезаемой щелеобразователем.

2. В ходе проведения экспериментальных и теоретических исследований установлено, что усилия, передаваемые на стенки шпура от полиуретановых уплотняющих элементов в 3 раза больше, чем от резиновых (24 и 7,5 кН соответственно) при давлении рабочей жидкости 18 МПа. Эти результаты показывают, что в горном массиве прочностью менее 80 МПа, в качестве материала для уплотнений, рационально использовать резину с прочностью на сжатие 20 МПа, а в более прочных - полиуретан.

3. Аналитически доказано, что отношение усилий, способствующих развитию трещины вдоль оси шпура и в плоскости инициирующей щели, при ее нарезании щелеобразователем ЩМ – 45 (диаметр ИЩ – 100 мм), равно 0,75, а для его уменьшения до 0,5 необходимо создавать инициирующую щель диаметром 130 мм.

4. Проведение графического анализа совместного движения точек режущего органа показало, что для увеличения диаметра нарезаемой инициирующей щели до 130 мм необходимо создать направляющие уклоны с параболическим профилем. Экспериментальные исследования режимов работы щелеобразователя ЩМ – 45М позволили установить, что предложенная траектория движения режущих органов и конструкция инструмента обеспечивают благоприятный режим работы инструмента, так как с увеличением глубины инициирующей щели нагрузки на режущий орган уменьшаются. Кроме того, при осевом усилии 500 Н достигается рациональный баланс между скоростью резания и ресурсом инструмента.

5. Практическая значимость результатов подтверждается проведением испытаний метода НГР на шахтах Кузбасса с использованием модернизированных конструкций щелеобразователя и герметизатора. В ходе проведения экспериментов нагрузки на охранный целик и повторно используемые горные выработки были снижены на 35 – 50 %, что позволило уменьшить ширину охранного целика с первоначально планируемых 20 до 5 м. Шаг первичной посадки кровли при выходе механизированной крепи из монтажной камеры сократился в 2 раза.

Основные положения и результаты исследований использовались при разработке проектов по внедрению метода направленного гидроразрыва на шахтах “Первомайская” и “Березовская”. На конструкцию нового герметизирующего устройства и модернизированного щелеобразователя (ЩМ – 45М), а также на стенд для испытания уплотнений получены патенты РФ на изобретения.

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Клишин В.И. Создание технологий и оборудования для разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями [Текст] / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин // Горный информационно – аналитический бюллетень. – Москва: МГГУ. – 2004. – № 10. – С. 213 – 219.

2. Клишин В.И. Результаты опытно – промышленного испытания оборудования на каменных блоках [Текст] / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин. // Сборник II – ой международной конференции “Динамика и прочность горных машин”. Том 1 – Новосибирск: ИГД СО РАН. – 2003. – С. 67 – 73.

3. Сажин П.В. Исследование влияния механических свойств уплотнений на направление развития инициирующей щели [Текст] / П.В. Сажин // Горный информационно – аналитический бюллетень. – Москва: МГГУ. – 2004. – № 7. – С. 254 – 257.

4. Клишин В.И. Экспериментальные исследования перераспределения опорного давления в лаве при принудительной посадке кровли [Текст] / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин // Горный информационно – аналитический бюллетень. – Москва: МГГУ.

– 2006. – № 3. – С. 339 – 347.

5. Клишин В.И. Средства реализации безвзрывного разрушения горных пород растягивающими усилиями [Текст] / В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин // Тр. Междун. конф. “Проблемы и перспективы развития горных наук.” Том 2. Машиноведение.

Геотехнологии. – Новосибирск: ИГД СО РАН. – 2006. – С. 384 – 389.

Пат. 2268359 Российская Федерация. МПК7 E 21 B 43/26. Устройство для гидроразрыва пород в шпуре [Текст] / Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В.; заявл.

23.06.2004, опубл. 20.01.2006, Бюл. №2 – 1942 с.: ил.

Пат. 2263776 Российская Федерация. МПК7 E 21 B 43/26, E 21 C 37/00. Щелеобразователь [Текст] / Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В.; заявл. 03.06.2004, опубл. 10.11.2005, Бюл. №31 – 547 с.: ил.

Пат. 2243520 Российская Федерация. МПК7 G 01 M 3/00. Стенд для испытания уплотнений [Текст] / Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В.; заявл. 26.06.2003, опубл.

27.12.2004, Бюл. №36 – 946 с.: ил.