Проблемы использования струй жидкости при разрушении горных пород

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА — 98″
МОСКВА, МГТУ, 2. 02. 98 — 6. 02. 98 СЕМИНАР 6 „ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА“ (ПРОБЛЕМЫ „ГЕОМЕХАНИКИ“)
С. Д. Викторов, профессор, д.т.н.
А. П. Кузнецов, профессор, д.т.н.
Институт проблем комплексного освоения недр РАН
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУЙ ЖИДКОСТИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОЛ
Струйный способ разрушения материалов и горных пород начал интенсивно исследоваться, а затем и применяться, в начале второй половины 20-го века. И с самых первых шагов как в направлении его исследований, так и в направлении использования, возник целый ряд проблем.
Первые проблемы оказались связаны с гидродинамической неустойчивостью струйных течений. К этому времени было хорошо известно, что такое течение неустойчиво [1]. Неизбежно возникающая тур-булизация течения, размывая границу раздела жидкости и окружающего ее воздуха, все глубже проникает внутрь струи. При этом скорость струи в осевом направлении падает, диаметр струи увеличивается, а ее средняя плотность уменьшается — струя, как бы, наполняется воздухом. Ясно, что интенсивность воздействие струи на разрушаемый материал при этом существенно уменьшается. Оказалось, что при давлениях порядка тысячи атмосфер (100 МПа), рабочая длина струи не превышает 50 ее диаметров. Другими словами, глубина резания на таких давлениях оказалась сильно ограниченной.
Другая группа проблем касалась энергообеспечения самого технологического процесса разрушения. Создание струи требует интенсивного подвода энергии с мощностью пропорциональной третьей степени скорости истечения струи. Так, например, насос, которым снабжена напольная (с габаритами 2×0. 8×1. 4) гидроструй-
ная установка PASER немецкой фирмы FLOW SISTEMS, развивает мощность 30 кВт, обеспечивая давление 200МПа и генерируя струю воды диаметром около 1 мм. Другая установка, предназначенная для работы в угольном забое, при таком же давлении и диаметре струи 2. 5 мм требует мощность 900кВт.
Таким образом, эти две группы проблем создали замкнутый и, даже можно сказать, порочный круг. Действительно, эффективное разрушение пород даже средней крепости требует давлений в несколько сот МПа (и, соответственно, скоростей истечения струи в нескольких сот м/с). Технические возможности энергообеспечения таких установок, в свою очередь, потребуют уменьшить диаметр струеобразующего сопла до величины, не превышающей 1 мм, а это приведет к тому, что гидродинамическая неустойчивость столь тонкой и скоростной струи не позволит достичь глубины разрушения большей, чем несколько см.
Попытки преодолеть возникшие трудности велись по нескольким направлениям. Первое касалось подавления (конечно частичного) гидродинамической неустойчивости. С этой целью [2] воду разбавляли полимерными добавками, что привело к увеличению длины рабочей части струи на 50%… 80%. С этой же целью [3] исследовалась и другая возможность стабилизировать струйное течение — использовать в качестве рабочей магнитную жидкость, представляющую собой коллоидный
раствор в воде магнетитового порошка [4]. Струя магнитной жидкости истекала вдоль оси осесимметричного магнитного поля. И на этом направлении были получены положительные результаты. Тем не менее, устойчивого технологического применения вышеприведенные решения не нашли.
Более продвинутыми в технологическом плане оказались два других направления. Одно из них предусматривало отказ от стационарного струйного течения в пользу импульсного [5, 6]. Другое обратилось к использованию комбинированного — гидромеханического воздействия на разрушаемый материал [7, 8].
Строго говоря, гидроимпульсное разрушение осуществляется совершенно другим механизмом, нежели струйное. Если стационарная струя рабочей жидкости как бы истирает разрушаемый материал, то импульсная струя, скорость которой лежит в диапазоне 500… 1500м/с, осуществляет ударное воздействие. Разрушение материала происходит под действием динамических нагрузок, имеющих волновой характер. Естественно, что и характер нарушения сплошности разрушаемого материала у этих двух воздействий различен. Стационарная струя осуществляет резание, дезинтегрируя разрушаемый материал в зоне его контакта со струей. Импульсная струя либо образует воронку, либо, если геометрия позволяет, раскалывает некий объем на несколько частей.
Что касается гидромеханического способа разрушения, то, несмотря на весьма сложные конструкторские решения, он находит достаточно широкое применение. Видимо именно он оказался тем компромиссом, который объединил конструкторов и производителей необходимого оборудования с технологами — пользователями, открывшими очень широкие его возможности в области разрушения горных пород.
Различные способы разрушения нередко сравниваются по их энергоемкости —
количеству энергии, затраченной на разрушение некоторого объема (Дж/м3). По-видимому, такое сравнение будет иметь смысл, если у сравниваемых способов механизм образования несплошностей будет один и тот же. Другими словами, сравнивать следует гидроструйный способ с механическими или с гидромеханическим, так как они, действуя локально, дезинтегрируют разрушаемый материал. С другой стороны, гидроимпульсный способ разрушения правомерно сравнивать по показателю энергоемкости с взрывным, ударным и т. п. способами. Нижеприводимая таблица 1 иллюстрирует такое сравнение.
Таблица 1
Способ Разрушения Энергоемк ость Дж/м& quot- Примечание Ссыл- ка
Механичес- кий 106… 107 Резание, бурение [6]
Гидроструй- ный 5×105… 5×10б Средняя крепость [6]
Гидромеха- нический 3×105… 3×106 Уголь [7]
Взрывной 106… 107 Любые породы [9]
Гидроимпуль сный 5×106… 107 Средняя крепость [4] 1
Из таблицы видно, что средняя по всем достаточно широко распространенным способам разрушения энергоемкость разрушения составляет 106 Дж/м3 с возможным отклонением от этой величины на порядок в ту или другую сторону.
Ясно, что одной из важных задач, стоящих перед исследователями струйного способа разрушения материалов вообще и горных пород в частности, является задача уменьшения энергоемкости разрушения при его использовании. В ИПКОН РАН в течение нескольких последних лет ведутся работы по оценке возможности использования струй, вещество которых химически активно по отношению к разрушаемому материалу. Первые результаты [10] показа-
ли наличие существенного эффекта, выразившегося в том, что химически активная струя (ХАС), реализуя энергию экзотермической реакции, увеличила объем разрушения почти на два порядка. Дальнейшие эксперименты, о которых было сделано сообщение на предыдущей & quot-Недели горняка& quot- в 1997 г., также подтвердили наличие разрушающего воздействия стационарной ХАС. При этом была специально использована низконапорная (с давлением торможения & lt-0.5 МПа) ХАС Теоретические оценки позволили обнаружить пороговый характер развития стационарного процесса проникновения ХАС в разрушаемый материал, связанный, прежде всего, с принятой пороговой моделью терморазрушения. Также было установлено, что расход вещества жидкостной ХАС неоправданно велик, что влечет за собой трудно решаемые экологические проблемы.
Переход к газовой ХАС привел к тому, что сравнительно небольшое количество реагирующего в зоне контакта ХАС и разрушаемого материала не обеспечивает не только достижение порога терморазрушения, но и не позволяет достичь порога инициации реакции. Ниже приводятся результаты вновь проведенного анализа условий возникновения процесса проникновения ХАС в разрушаемый материал с учетом того, что существует не только порог терморазрушения Т* (температура, достижение которой приводит к разрушению материала), но и порог инициации реакции между веществом ХАС и разрушаемым материалом 7}. При этом будем полагать, что степень выделения энергии а (6) зависит от средней по объему разрушенного материала температуры 6 и величины 7} следующим образом:
а (в) = 1 — ЕХР (-(0/Т)) (1)
Кроме соотношения (1) можно написать еще два других. Одно из них свяжет количество выделившейся в результате ре-
акции тепловой энергии Q с массой разрушенного вещества ш, удельной теплотой реакции q, и с концентрацией реагирующего вещества в разрушаемом материале к, другое позволит выразить величину средней температуры © через удельную теплоемкость разрушаемого материала С и величины#, к, а (6). Именно:
Q = m q к а (0) (2)
& lt-d = qk (а (0)/С (3)
Из последних выражений следует уравнение:
0=То (1-ЕХР (-(0/Т1))) (4)
Здесь Т0 = q к/С — максимально возможная температура нагрева разрушаемого материала. Введем безразмерные параметры: п = 0/Т о и у = 7У7). Тогда уравнение (4) примет вид:
ЕХР (-п у) = 1-п (5)
Рис. 1.
Легко видеть (см. рис. 1), что последнее уравнение имеет единственное решение п = и* если производная левой части (5) по п при п = 0 меньше, чем -1, то есть при 7'о& gt-7}. Это почти очевидное условие не является достаточным для решения вопро-
са о возможности реализации проникновения ХАС в разрушаемый материал в рамках используемой модели. Эта модель предполагает рассмотрение сферически симметричного процесса теплопроводности, вызванного стационарным выделением количества тепла Q из (2) и пренебрежением тем количеством тепла, которое распространилось за границы зоны разрушения г& gt-г*. В соответствии с решением задачи о распределении температуры от мгновенного точечного теплового источника [II] и с условием терморазрушения можно написать соотношение:
Полагая в формуле (6) Тг = 4 q к а (0)/3 С л/я, a X- r*/4atx, получим:
Т* = Tr Х3/2 EXP (-Х) (7)
Можно легко показать (например, графически см. рис. 2), что решение (7) относительно X возможно только при Т*/Тг & lt- 0. 41. Таким образом, проведенный теоретический анализ дал возможность установить два критерия, выполнение которых позволяет надеяться на реализацию стационарного режима проникновения ХАС в разрушаемый материал. Именно: а) обеспечение превышения температурой То температуры инициации реакции 7}, б) температурный порог разрушения не должен превышать величину, равную примерно 40% характерной температуры процесса, определяемой величиной превышения температурой То температуры инициации реакции.
Проиллюстрируем сказанное выше результатами вычислений, представив последние в таблице 2.
Таблица 2
Y 1. 01 I. I 1.5 2 3
N, а (0) 0. 02 0: 175 0. 585 0. 795 0. 94 0. 982
Т*/То 0. 006 0. 095 0. 175 0. 239 0. 282 0. 294
При проведении расчетов отношения Т*/Т0 использовались максимально возможные для данного варианта величины Т*, то есть такие, которые соответствуют максимуму функции Т*/Тг определенной выражением (7). Этот максимум приходйт-ся на значение X = 1,45, а максимальное значение функции, как уже отмечалось выше, равно 0,41. Смысл представленных в таблице 2 расчетов можно прокомментировать следующим образом. При незначительной разнице в величинах температур Т0 и 7} (в этом случае значение у близко к единице) ХАС сможет разрушить лишь тот материал, у которого температурный порог разрушения (7*) значительно меньше максимально возможной температуры нагрева разрушенного материала (Т0). При увеличении этой разницы ограничение на величину Т* смягчаются и величина допустимого температурного порога разрушения повышается и составляет все большую долю Т0, приближаясь к предельному значению, равному 0.3. Второй график, приведенный на рис. 2 достаточно ясно это показывает.
По сути дела, на этом можно было бы закончить обсуждение качественных особенностей исследуемого процесса. Действительно, найденное значение величины X позволяет использовать найти соотношение между глубиной проникновения
ХАС — г* и временем проникновения -и. Именно:
г* = у[4Хай. (8)
Однако использовать эту формулу даже для оценок г* при достаточно больших и не имеет смысла. Процесс проникновения струи не имеет сферической симметрии (он осесимметричен) и сопровождается интенсивным выносом разрушаемого материала из зоны контакта струи и материала. Поэтому говорить о сферичности проникновения струи в материал можно только при малых значениях /*, например таких, которые дают величину г*, сравнимую с радиусом струи /). Этот микропроцесс можно назвать шагом проникновения. Последовательность таких шагов, перемежаемая шагами выноса разрушаемого материала из образующейся таким образом каверны, и формирует макропроцесс проникновения ХАС в разрушаемый материал.
Такое представление позволяет & quot-естественным"- образом организовать соответствующую пошаговую численную процедуру, моделирующую проникновение ХАС в разрушаемый материал. Реализация процедуры подтвердила существенность температурного порога разрушения. Кроме этого она позволила учесть то тепло, которым пренебрегал аналитический подход -материал и за зоной разрушения (при г & gt- г*) нагревался, испытывая влияние всех тепловых микроисточников.
Результаты проведенных вычислений представлены на рис 3. На этом рисунке приведены зависимости мощности тепловыделения от времени для нескольких модельных ситуаций. Моделировалось проникновение тонкой натриевой струи в насыщенный водой гипс и бетон. Разрушаемый материал характеризовался теплофизическими константами [12], а рассчитываемые варианты отличались друг от друга заданием различных значений темпе-
ратурного порога разрушения Т*. Моделирование обнаружило наличие трех режимов проникновения ХАС в разрушаемый материал:
• - гипс Т. =200, х — бетон Т"=500°, + - бетон Т"~700& quot-, о — бетон Т. =1000"-, А — бетон Т. -1250"-,? — бетон Т. =1500°
Рис. 3.
первый — для низких порогов терморазрушения — характеризуется начальным ростом тепловыделения с переходом на стационарный режим-
второй — для средних величин-Т*=-700… 1000 °C — сопровождается начальным падением тепловыделения и дальнейшим его подъемом, связанным, видимо, с увеличивающейся зоной прогрева и разрушения- и этот режим с течением времени делается стационарным-
третий — для & quot-жаропрочных"- материалов — характерен тем, что его реализация наталкивается на непреодолимые трудности, связанные с недостаточным для его поддержания объемами разрушения и, следовательно, тепловыделения- этот режим затухает и проникновение струи в материал прекращается.
Заканчивая сообщение, следует, видимо, сказать, что, несмотря на проблемы, с которыми сталкивается струйное разрушение, этот способ разрушения не исчерпал своих возможностей, как в своей тра-
диционной части, так и в части, связанной с использованием химически активных струй.
Авторы выражают свою признательность российскому фонду фундаментальных исследований (РФФИ), при поддержке которого данная работа была выполнена.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дж. Дейли, Д. Харлеман Механика жидкости М. Энергия, 1971, 480с.
2. Шавловский С. С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. М. Наука, 1979, 174с.
3. Кузнецов А. П. Стабилизация рабочей жидкости при гидроотбойке. В сб. Развитие методов ведения взрывных работ на карьерах с учетом улучшения экологических условий. М. ИПКОН РАН 1991, с. 133−138.
4. Физические свойства магнитных жидкостей. Сб. статей. Отв. ред. М. И. Шлиомис. Свердловск. УНЦ АН СССР, 127с.
5. Атанов Г. А. Гидроимпульсные установки для разрушения горных пород. Киев, & quot-Вища школа'-1, 1987, 155с.
6. Ракишев Б. Р., ШерстюкБ.Ф., Шапарев С. В., Звонков Ю. Е. Гидроимпульсное разрушение горных пород. Аналитический обзор. Алма-Ата, КАЗНИИТИ 1990,94с.
7. Мерзляков В. Г. Исследование и выбор рациональных параметров схем комбайнового разрушения угольного массива высокоскоростной струей воды и дисковой шарошкой. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. М. ИГД им. А. А. Скочинского, 1981.
8.M. Hood, G.C. Knight, E.D. Thi-mons. A review of water-jet-assisted rock cutting. Information circular 9273. U. S. Bureau of mines. 1990, 17c.
9. Суханов А. Ф» Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород взрывом. М.
Недра, 1983,344с.
10. Ю. Викторов С. Д., Кузнецов А. П Действие струи химически активного вещества на горную породу. ДАН т. 356, № 3, с. 337−338.
11. Тихонов А Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М. Наука, 1966,724с.
12. Таблицы физических величин. Под ред. акад. И. К. Кикоина, М., Атомиздат, 1976, 1006с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой