Введение к работе
Актуальность проблемы. Вертикальные стволы относятся к наиболее сложным, дорогостоящим и ответственным объектам шахтного строительства. На их долю приходится 20 - 25 % стоимости и 30 - 60 % общей продолжительности строительства комплекса горных выработок шахты. Ежегодная потребность в вертикальных стволах для Российской Федерации составляет 10...15 километров. Вместе с тем, производительность труда на сооружении стволов уже длительное время не растет. Одной из причин этого являются низкие темпы научно-технического прогресса на горнопроходческих работах, а также осложнение горно-геологических условий, связанное с общим углублением рабочих горизонтов.
Основным способом проходки шахтных стволов остается буровзрывной. Анализ динамики изменения технико-экономических показателей проходки шахтных стволов в угольной промышленности свидетельствует, что существенного улучшения их средних показателей за последние 25 лет не наблюдается: 1968 г. - средняя скорость проходки 49,6 м/мес, производительность труда проходчиков 1,55 м3/чел. - смену, 1988 г. - соответственно - 51,1 м/мес. и 2,08 м3/чел. - смену.
Для решения проблемы повышения темпов и эффективности проходки шахтных стволов и скважин большого диаметра необходимо создание и внедрение принципиально новой техники и технологии, обеспечивающих многократное повышение производительности труда и снижение себестоимости работ. Такое может быть достигнуто на новых физических принципах. К их числу следует, прежде всего, отнести электроимпульсный способ разрушения горных пород, в основе которого лежит явление аномального пробоя на границе твердого и жидкого диэлектриков.
Важную роль при создании промышленной технологии электроимпульсной проходки занимает структурированная диэлектрическая промывочная жидкость, применяемая для удаления продуктов разрушения горной породы, препятствующая завершению импульсного разряда по поверхности горной породы и обеспечивающая, при соответствующих параметрах импульса, внедрение разряда в породу. Тиксотропные свойства
2 промывочной жидкости обеспечивают регулирование ее параметров: плотности, структурной вязкости, предельного динамического напряжения сдвига, обеспечивают низкую фильтрацию и высокую стабильность.
Таким образом, исследование и разработка структурированных промывочных растворов для принципиально нового способа разрушения горных пород является актуальной научной и практической задачей, решение которой позволит существенно повысить его эффективность.
Данная работа выполнена автором по программе "Машиностроение и технология" АН СССР на 1989-2000 гг., "Сибирь", подпрограмма "Уголь Кузбасса", задание 1.03.04.01 СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№№ г.р. 01880087203, 01890089258), плану НИР Института угля СО РАН на 1989-1992 гг.
Целью работы является повышение эффективности электроимпульсного способа разрушения горных пород на основе совершенствования структурно-механических свойств диэлектрических промывочных жидкостей.
Основная идея работы состоит в использовании экспериментально определенных реологических свойств и закономерностей течения для контроля и регулирования технологических параметров промывочной жидкости при электроимпульсной проходке.
Задачи исследований:
-определить закономерности течения структурированных растворов на углеводородной основе, используемых при разрушении горных пород электроимпульсным способом для эвакуации отбитой породы и в качестве жидкого диэлектрика;
-оценить тиксотропные свойства промывочной жидкости на углеводородной основе применительно к электроимпульсной технологии проходки шахтных стволов;
-определить критерии оценки качества и выбора функциональных свойств структурированных промывочных жидкостей для электроимпульсной проходки;
-исследовать влияние концентрации твердой фазы на реологические свойства промывочной жидкости;
-исследовать влияние температуры среды на структурно-механические свойства раствора на углеводородной основе.
Методы исследований:
-анализ и обобщение результатов научных исследований, лабораторных и полевых испытаний;
-экспериментальное определение количественных закономерностей течения структурированных жидкостей;
-обработка на ЭВМ экспериментальных данных для определения погрешности измерений и оценки качества полученных результатов;
-полигонные наблюдения подготовки и применения раствора на углеводородной основе при ЭИ проходке шахтного ствола.
Научные положения, защищаемые автором:
-технологические свойства структурированных растворов на углеводородной основе удовлетворяют требованиям электроимпульсной технологии проходки шахтных стволов;
-оценка структурно-механических параметров диэлектрического раствора на углеводородной основе с помощью экспериментально определенных критериев обеспечивает эффективное внедрение канала разряда в горную породу;
-установленные зависимости реологических свойств промывочной жидкости от концентрации твердой фазы позволяют регулировать плотность, предельное динамическое напряжение сдвига, структурную вязкость для обеспечения эффективного процесса ЭИ проходки;
-полученные количественные зависимости влияния температуры среды на тиксотропные свойства раствора необходимо учитывать при отработке рецептуры структурированных растворов на углеводородной основе для ЭИ проходки в конкретных условиях.
Научная новизна работы состоит:
-в определении количественных зависимостей структурно- механических параметров раствора на углеводородной основе для ЭИ проходки, основанных на измеренных характеристиках реальных жидкостей;
-в установлении режимов аномального течения структурированного раствора, позволяющих получить закономерности деформации структуры раствора;
-в установлении зависимостей влияния концентрации твердой фазы на реологические свойства промывочной жидкости, позволяющих регулировать технологические свойства раствора;
-в установлении влияния температуры среды на структурно-механические свойства промывочной жидкости, что дает возможность отрабатывать рецептуры раствора для конкретных условий ЭИ проходки;
-в разработке критериев оценки структурно-механических свойств раствора на углеводородной основе, обеспечивающих эффективное внедрение канала разряда в горную породу.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке критериев оценки качества и выбора функциональных свойств структурированных растворов на углеводородной основе для проходки вертикальных горных выработок электроимпульсным способом;
-в исследовании структурно-механических свойств растворов на углеводородной основе и определении их влияния на технологический процесс ЭИ проходки;
-в исследовании процессов разрушения структурных связей и струк-турообразования раствора на углеводородной основе;
-в установлении количественных зависимостей изменения предельного динамического напряжения сдвига и структурной вязкости от концентрации твердой фазы в растворе на углеводородной основе;
-в установлении влияния температуры среды на изменение структурной вязкости и предельного динамического напряжения сдвига раствора на углеводородной основе.
Достоверность научных положений обеспечивается:
-применением стандартной методики определения вязкости неньютоновских жидкостей на вискозиметрическом оборудовании с научно обоснованным принципом измерения;
-экспериментальными исследованиями, проведенными в широком диапазоном измерения сдвигающих напряжений (3...600 Па), скоростей сдвига (0,5...437 с-1) и динамической вязкости (7...1200000 мПас);
-объективностью обработки экспериментальных данных и применением стандартных методов оценки погрешности измерений;
-автоматизированной обработкой экспериментальных результатов с помощью программы расчета реализованной на ПЭВМ.
-положительными результатами, полученными при внедрении основных положений диссертации в практику при подготовке раствора для проходки шахтного ствола электроимпульсным способом.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
-отрабатывать рецептуры растворов на углеводородной основе для ЭИ проходки , на основе оценки их структурно-механических свойств;
-регулировать структурно-механические свойства раствора путем изменения концентрации структурообразователя при приготовлении раствора- для получения заданных свойств, в процессе проходки- для поддержания требуемых функций и изменения параметров применительно к изменяющимся горно-геологическим условиям;
-учитывать влияние температурных условий ЭИ проходки на структурно-механические свойства раствора на углеводородной основе при отработке рецептуры раствора;
-учитывать аномалии вязкости структурированных растворов на углеводородной основе при расчете технологических параметров системы промывки.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
По результатам диссертации и при непосредственном участии автора разработанный метод оценки и контроля качества раствора на углеводородной основе использован при приготовлении раствора на испытаниях комплекса технических средств и технологии электроимпульсной проходки скважин диметром 2,08 м, в рамках совместной работы Института угля
СО РАН (г. Кемерово) и Проектно-шахтопроходческого объединения "Спецшахтобурение" (г. Донецк) в период с 25 июня 1992 г. по 23 ноября 1992 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международной конференции «VII научная школа "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах"» (секция "Физические свойства конденсированной среды, подверженной воздействию импульсных электрических полей") (1995, г. Николаев,); на техническом совещании ПШО «Спецшахтобурение» (1992 г., г. Донецк); на научных семинарах в Куз-НИИшахтострое (1996 г., г. Кемерово), КузГТУ (1996 г., г. Кемерово), Научном семинаре Института угля СО РАН (1996 г.).
Публикации. По теме диссертации работы опубликовано лично и в соавторстве 5 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложена на 142 стр. машинописного текста, содержит 16 таблиц и 21 рисунок. Список используемой литературы включает 78 наименований работ.