Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия

В статье приведены результаты теоретического и экспериментального методов расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. На основании проведенных исследований обоснованы динамические параметры и рабочие диапазоны импульсных режимов нагнетания жидкости...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
1. Verfasser:	Зберовский, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2015
Schriftenreihe:	Геотехнічна механіка
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135987
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 110-121. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-135987
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1359872018-06-16T03:08:34Z Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия Зберовский, В.В. В статье приведены результаты теоретического и экспериментального методов расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. На основании проведенных исследований обоснованы динамические параметры и рабочие диапазоны импульсных режимов нагнетания жидкости, усовершенствована математическая модель инженерного метода расчета частоты и размаха кавитационных автоколебаний. Установлено, что закономерность изменения максимумов размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, характеризует изменение гидросопротивления угольного пласта в процессе его гидрорыхления и описывается параболической зависимостью второй степени. Определено, что параметры динамического нагружения угольных пластов в импульсном режиме нагнетания удовлетворяют условиям гидрорыхления выбросоопасных пластов. В статті наведено результати теоретичного та експериментального методів розрахунку динамічних параметрів гідроімпульсної дії на викидонебезпечні вугільні пласти. На підставі проведених досліджень обґрунтовані динамічні параметри і робочі діапазони імпульсних режимів нагнітання рідини, вдосконалена математична модель інженерного методу розрахунку частоти і розмаху кавітаційних автоколивань. Встановлено, що закономірність зміни максимумів розмаху автоколивань від тиску підпору рідини в свердловині, характеризує зміну гідроопору вугільного пласта в процесі його гідророзпушування і описується параболічною залежністю другого ступеня. Визначено, що параметри динамічного навантаження вугільних пластів в імпульсному режимі нагнітання задовольняють умовам гідророзпушування викидонебезпечних пластів. The results of theoretical and experimental methods of calculation of dynamic parameters of hydroimpulsive influence on outburst coal layer are resulted in the article. Based on the studies was substantiated the dynamic parameters and operating ranges of pulsed liquid injection modes, enhanced mathematical model of an engineering method for calculating the frequency and amplitude of self-oscillation cavitations. It is set that conformity to the law of change of maximums of scope of self-oscillation from back water pressure of liquid in a mining hole, characterizes the change of coal layer hydro resistance in the process of him hydro breaking and is described by parabolic dependence of the second degree. It was determined that parameters of the dynamic loading of coal layers in the impulsive injection mode of hydro breaking in outburst layers conditions are satisfy. 2015 Article Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 110-121. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135987 622.001.5:621.313.12-752 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В статье приведены результаты теоретического и экспериментального методов расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. На основании проведенных исследований обоснованы динамические параметры и рабочие диапазоны импульсных режимов нагнетания жидкости, усовершенствована математическая модель инженерного метода расчета частоты и размаха кавитационных автоколебаний. Установлено, что закономерность изменения максимумов размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, характеризует изменение гидросопротивления угольного пласта в процессе его гидрорыхления и описывается параболической зависимостью второй степени. Определено, что параметры динамического нагружения угольных пластов в импульсном режиме нагнетания удовлетворяют условиям гидрорыхления выбросоопасных пластов.
format	Article
author	Зберовский, В.В.
spellingShingle	Зберовский, В.В. Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия Геотехнічна механіка
author_facet	Зберовский, В.В.
author_sort	Зберовский, В.В.
title	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
title_short	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
title_full	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
title_fullStr	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
title_full_unstemmed	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
title_sort	развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135987
citation_txt	Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 125. — С. 110-121. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT zberovskijvv razvitieinženernogometodarasčetadinamičeskihparametrovgidroimpulʹsnogovozdejstviâ
first_indexed	2025-07-10T00:28:15Z
last_indexed	2025-07-10T00:28:15Z
_version_	1837217673364111360
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 110 УДК 622.001.5:621.313.12-752 Зберовский В.В. , канд. техн. наук, ст. научн. сотр. (ИГТМ НАН Украины) РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Зберовський В.В. канд. техн. наук, ст. наук. співр. (ІГТМ НАН України) РОЗВИТОК ІНЖЕНЕРНОГО МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ГІДРОІМПУЛЬСНОЇ ДІЇ Zberovskiy V.V. Ph.D. (Tech.), Senior Researcher (IGTM NAS of Ukraine) THE DEVELOPMENT OF ENGINEERING METHODS OF CALCULATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF HYDROIMPULSIVE INFLUENSE Аннотация. В статье приведены результаты теоретического и экспериментального мето- дов расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. На основании проведенных исследований обоснованы динамические па- раметры и рабочие диапазоны импульсных режимов нагнетания жидкости, усовершенство- вана математическая модель инженерного метода расчета частоты и размаха кавитационных автоколебаний. Установлено, что закономерность изменения максимумов размаха автоколе- баний от давления подпора жидкости в скважине, характеризует изменение гидросопротив- ления угольного пласта в процессе его гидрорыхления и описывается параболической зави- симостью второй степени. Определено, что параметры динамического нагружения угольных пластов в импульсном режиме нагнетания удовлетворяют условиям гидрорыхления выбро- соопасных пластов. Ключевые слова: гидроимпульсное воздействие, угольный пласт, режим нагнетания, частота и размах автоколебаний, рабочий диапазон. Актуальность. В комплексе мер по предотвращению газодинамических яв- лений (ГДЯ) из локальных мероприятий наибольшее развитие получил способ гидрорыхления. Однако опыт его многолетнего применения, особенно в усло- виях больших глубин, показывает, что нагнетание жидкости в статическом ре- жиме не исключает вероятность провоцирования ГДЯ [1, 2]. Поэтому в опас- ных зонах выработки проводятся с помощью буровзрывных работ в режиме со- трясательного взрывания. Это приводит к значительному росту затрат на под- готовительные работы и снижению скорости проведения выработок более чем в два раза. Разработанное в ИГТМ НАН Украины устройство гидроимпульсного воз- действия (УГИВ) и его использование в комплексе шахтного оборудования при гидрорыхлении угольных пластов позволило устранить недостатки статическо- го нагнетания жидкости [3]. При гидроимпульсном воздействии кратковремен- © В.В. Зберовский, 2015 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 111 ность действия высокого давления жидкости порождает в упругой среде уголь- ного пласта переменное напряжение, которое, не перегружая массив угля в це- лом, обеспечивает образование системы разветвленных микротрещин. Развитие дефектов (трещинообразование) происходит только при взаимодействии полей напряжений, концентрирующихся в этих дефектах, с амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) устройства (размах автоколебаний, их частота и дли- тельность импульса). Поэтому надежность работы УГИВ зависит от достовер- ности расчета параметров устройства и АЧХ генератора в его рабочем диапазо- не. До настоящего времени определение этих параметров затруднительно, так как связано с необходимостью моделирования импульсного нагнетания жидко- сти на гидравлическом стенде. Результаты теоретических и экспериментальных исследований. 1. Обоснование динамических параметров импульсных режимов нагружения угольных пластов. Одной из нерешенных задач в исследованиях импульсного нагнетания жид- кости является определение рабочих режимов динамического нагружения угольных пластов в пределах изменения модуля упругости угля. Под рабочим режимом динамического нагружения понимается импульсный режим нагнета- ния с постоянным давлением нагнетания и расходом жидкости через генератор устройства, при которых, в диапазоне изменения давления подпора за генера- тором, в фильтрационной части скважины обеспечиваются минимально необ- ходимые значения импульсов давления и частота их следования. Теоретическое обоснование параметров импульсного нагружения угольных пластов приведено в работе [4], где с учетом того, что при гидроимпульсном воздействии отсутствует скважность импульсов, скорость развития деформаций выражена в виде d P f dt E       . (1) где  – линейная деформация угля, с -1 ; P – величина импульса, МПа; f – часто- та следования импульсов, с -1 ; E – модуль упругости угля, МПа. Из исследований несущей способности горных пород [5] известно, что их прочностные свойства определяются сопротивляемостью материала сдвигу, па- раметрами внутреннего и контактного (внешнего) трения. С изменением угла внутреннего трения меняется и несущая способность хрупкого тела. В углепо- родном массиве снижение внутреннего трения приводит к нарушению равнове- сия между силами сцепления горных пород, горизонтальной и вертикальной составляющими горного давления и зарождению предельных касательных на- пряжений. При достижении критических значений скорости развития деформа- ций инициируется развитие деформаций сдвига, то есть трещинообразование. Отличительной особенностью трещин сдвига является то, что они образу- ются в точке концентрации максимальных касательных напряжений под раз- личными углами наклона к напластованию. Поэтому эффект высокочастотной гидроимпульсной вибрации, возникающий в диапазоне рабочего режима дина- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 112 мического нагружения, приводит к инициированию деформации сдвига и раз- витию разнонаклонных трещин в пласте. Известно, что спад прочности углей при горных ударах или внезапных вы- бросах, наблюдается в интервале развития деформаций 1 ≤  ≤ 10 с -1 [6]. При скорости развития деформаций более 10 с -1 инициируются деформации сдвига. Тогда для предельного случая при  =10 с -1 , из выражения (1) получим 10Е Р f   . (2) По установленной зависимости (2) для значений модуля упругости угля Е=310 2 МПа; 510 2 МПа (по напластованию слоев угля) и Е=210 3 МПа (пер- пендикулярно напластованию) установлены минимально необходимых значе- ний импульсов давления от частоты их следования (рис.1). Рисунок 1 – Теоретические зависимости минимальных значений импульсов давления P от частоты их следования f для различных значений модуля упругости угля Е = 3  10 2 МПа; 5  10 2 МПа; и 2  10 3 МПа. Анализ полученных результатов показывает, что для инициирования разви- тия деформаций сдвига минимально необходимые значения импульсов давле- ния в рабочих режимах импульсного нагнетания должны составлять по величи- не импульса 20…3 МПа соответственно частоте их следования от 1 до 7 кГц. Таким образом, исходя из установленных закономерностей, значения часто- ты и размаха автоколебаний превышающие значения предельного случая раз- вития деформации при  =10 с -1 (рис.1. рабочая зона), будут обеспечивать ини- циирование трещинообразования в наиболее сложных (перпендикулярно на- пластованию) условиях. 2. Математическая модель инженерного метода расчета частоты и размаха кавитационных автоколебаний. Первые результаты математических расчетов некоторых динамических па- раметров кавитационного процесса приведены в работе [7]. В работе [8] при расчетах зависимостей частоты и размаха автоколебаний от параметра кавита- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 113 ции () используется аналитическая модель расчета, в которой при проведении исследований параметр кавитации определялся как отношение давления подпо- ра Рп к давлению жидкости на входе генератора Рн (=Рп/Рн). В практике ведения горных работ при гидрорыхлении выбросоопасных угольных пластов [1] за критерий оценки достаточности гидровоздействия и его эффективности принято падение давления нагнетаемой жидкости не менее чем на 30% от максимально установленного. При импульсном нагнетании та- ким параметром является падение давления подпора жидкости в фильтрацион- ной части скважины. Учитывая, что при гидровоздействии на угольный пласт проникновению жидкости в массив, кроме гидросопротивления угля препятст- вуют силы горного давления и давления газа, накопленного в массиве, измене- ние давления подпора жидкости в скважине будем рассматривать в расширен- ном диапазоне Pп=(0,01–0,7)Рн. При моделировании импульсного нагнетания на имитаторе скважины с ге- нератором устройства ГК-2,5 при различных режимных параметрах было уста- новлено, что устойчивое периодически-срывное течение жидкости наблюдается в диапазоне 0,012 ≤  ≤ 0,82. Ранее, при расчетах параметров [7] считалось, что кавитационный режим течения жидкости прекращается при достижении гра- ничного значения max=Рп/Рн=1 (Рн=Рп), т.е. тогда, когда течение жидкости от- сутствует. Поэтому, основываясь на результатах моделирования, для достовер- ности расчета ожидаемых частот и размахов автоколебаний давления жидкости, генерируемых ГК-2.5, вместо граничного значения max=1 в математической модели расчета динамических параметров принимается значение max=0,82. То- гда уравнения по определению частоты, длины кавитационной полости и мо- дифицированного числа Струхаля [7] приобретают вид:  2 1 0,82 кр п н кp v tg f P P r        , (3) 1 1 0,82 2 кр к п н r l P Ptg             , (4)  1 1 0,82 1 0,82м п н п нSh P P P P        , (5) где νкр – скорость жидкости в критическом сечении генератора, м/с; β – угол раскрытия диффузора генератора, град; rкр – радиус критического сечения гене- ратора, м; µ – коэффициент расхода генератора. В данном случае число Струхаля (Sh) рассчитывается с учетом развития процесса кавитации. Используя расчетную схему для определения амплитуд кавитационных ав- токолебаний давления [7] была получена формула в виде ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 114     22 2 кд 1 кр м 22 2 2 2 к с.кр д 2 2 2 к VI P v 2 Sh l2 v I F 1 l с              , (6) где ρ – плотность жидкости, кг/м 3 ; Id – коэффициент инерционного сопротивле- ния участка диффузора генератора колебаний, расположенного между новой оседлой каверной и выходом из диффузора, м -1 ; Vк – амплитуды колебаний объема оседлой кавитационной каверны в момент отрыва, МПа; lк – длина кави- тационной каверны, м; F2 – площадь выходного сечения диффузора генератора, м 2 ; с – скорость звука в жидкости, м/с. 3. Обоснование рабочего диапазона динамических параметров режимов импульсного нагружения угольных пластов. Теоретически было установлено, что значения импульсов давления, созда- ваемые УГИВ при гидроимпульсном рыхлении угольных пластов должны быть не менее 20…3 МПа соответственно частоте их следования от 1 до 7 кГц. С учетом этого, значения параметров импульсного нагнетания, превышающие их минимальные величины (рис. 1), следует отнести к значениям параметров, ко- торые составляют диапазон рабочей зоны режима нагнетания жидкости. Таким образом, можно считать, что установленные параметры режимов гидроимпульсного воздействия являются научно обоснованными. Следователь- но, в установленном диапазоне рабочей зоны параметрам разрушения (иниции- рования трещинообразования) должны соответствовать определенные гидрав- лические и гидродинамические параметры режимов нагнетания. Результатами промышленных исследований технических средств гидроим- пульсного воздействия установлено, что гидравлическим параметра импульс- ного нагнетания соответствуют параметры насосных установок, которые соз- дают давление нагнетания до 32 МПа при расходе жидкости до 60 л/мин. Ми- нимальное давление нагнетания соответствует давлению срабатывания клапана гидрозатвора «Таурус» – 5 МПа. Так как критерием контроля гидроимпульсного воздействия является паде- ние давления жидкости в фильтрационной части скважины, нам необходимо установить соответствие диапазона этого параметра Pп=(0,01–0,7)Рн исследуе- мой рабочей зоне. За минимальное значение давления подпора целесообразно принять 1 МПа – давление, которое соответствует критерию максимально безо- пасного значения давления газа в угольном пласте при снижении его выбросо- опасности, а за максимальное – 12 МПа, которое соответствует величине стати- ческого давления на глубине 1200 м и теоретически соответствует давлению га- за в угольных пластах, залегающих на этих глубинах. Установленные значения рабочего диапазона, позволили, использую зави- симости (3-6) произвести теоретические расчеты динамических параметров, ко- торые реализуются ГК-2,5 (рис. 2), и его АЧХ для различных значений модуля упругости угля (рис.3) при различных режимах нагнетания. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 115 а б Рисунок 2 – Теоретические зависимости размаха – а и частоты – б от давления подпора в рабочем диапазоне режимов нагнетания Рн=5, 10, 20, 30 МПа Рисунок 3 – Сопоставление минимальных значений импульсов давления от частоты их следования и АЧХ генератора ГК-2,5 для различных значений модуля упругости угля При теоретических расчетах параметров динамического нагружения были приняты следующие значения: угол расширения струи  = 1,35, скорость звука в жидкости с = 1100 м/с, коэффициент расхода жидкости  = 0,95; давление на- сыщенных паров Рк=0,0024 МПа, длина трубопровода после генератора l=1,0 м. Анализируя полученные результаты, отметим следующее: - зависимости размаха автоколебаний давления Р1 на выходе из генератора от давления подпора Рп, рассчитанные по (6), при различных режимах нагнета- ния имеют четко выраженный максимум (рис. 2, а), который с увеличением давления нагнетания смещается вправо и в 1,2…2,2 раза превышает давление жидкости на входе генератора; - зависимости частоты следования автоколебаний f от давления подпора Рп, рассчитанные по (3), независимо от режима нагнетания, имеют вид близкий к линейной (рис. 2, б). Для фиксированного значения давления подпора Рп увели- чение давления нагнетания Рн приводит к снижению частоты. - сопоставление АЧХ генератора устройства с модулем упругости угля ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 116 (рис.3) позволяет в установленном рабочем диапазоне определить рациональ- ный режим нагнетания жидкости и соответствующие ему значения параметров динамического нагружения. Например, при Рн=20 МПа и Е=210 3 МПа рабоче- му диапазону размаха автоколебаний от 17 МПа до 5 МПа соответствует диапа- зон частот от 1100 до 7000 Гц. 4. Экспериментальный метод инженерного расчета частоты и размаха кавитационных автоколебаний. Использование математической модели инженерного метода при расчете частоты и размаха кавитационных автоколебаний по значениям инструмен- тальных измерений, полученных при моделировании гидроимпульсного воз- действия, позволило установить их численные значения. В качестве примера для сопоставления результатов теоретического и экспе- риментального методов расчета параметров динамического нагружения на рис. 4 приведены установленные зависимости размаха и частоты автоколебаний от давления подпора для импульсных режимов при Рн=10 и 20 МПа. Относитель- ная погрешность зависимостей частоты и размаха автоколебаний от давления подпора не превышает 10% для частоты и 20% для размаха автоколебаний. а б Рисунок 4 – Теоретические и экспериментальные зависимости размаха ΔP1 – а и частоты f – б от давления подпора Рп при Рн=10 и 20 МПа 5. Практическая значимость результатов исследований. Совершенствование способов, средств и методов расчета параметр импульсно- го нагнетания жидкости с целью предотвращения ГДЯ имеет важное практиче- ское значение. В соответствии с «Правилами …» [1] расчетная вели чина дав- ления нагнетания жидкости при гидрорыхлении должна составлять Pн=(0,75…1,0)γН. Для гидроимпульсного воздействия за граничное (макси- мальное) значение давления нагнетания принимается минимальное значение гидроразрыва пласта Pн=0,75 γН. Исходя из этого условия, давление нагнетае- мой жидкости на входе в генератора устройства, например, для глубины Н=1000 м должно составлять не более 22 МПа. Из полученных нами расчетов, как экспериментальных, так и теоретических ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 117 (рис.3) следует, что установленные параметры динамического нагружения угольных пластов при давлении жидкости на входе генератора 10≤Pн≤22 МПа в рабочем диапазоне изменения давления подпора Рп от 1 до 12 МПа удовлетво- ряют условиям гидрорыхления выбросоопасных пластов. Рассмотрим теперь характера изменения параметров динамического нагру- жения при различных режимах импульсного нагнетания жидкости. Здесь необ- ходимо обратить внимание на следующие. Рост максимумов размаха автоколебаний давления происходит одновремен- но с увеличением давления нагнетания и давления подпора жидкости в скважи- не. Так, при давлении нагнетания Рн=5,0 МПа максимальным значениям разма- ха автоколебаний соответствует давление подпора Рп=1,0 МПа, при Рн=10,0 МПа – значение Рп=2,0 МПа, при Рн=20,0 МПа – значение Рп=2,5 МПа, а при Рн=30,0 МПа – значение Рп=3,0 МПа (см. табл. 1).При этом с их ростом наблюдается и рост частоты. Так при Рн=5 МПа максимальному значению P1max=10,89 МПа соответствует частота f=1196 Гц. При Рн=10 МПа значению P1max=17,28 МПа соответствует частота f=1700 Гц, при Рн=20 МПа значению P1max=26,36 МПа соответствует частота f=1810 Гц и при Рн=30 МПа значению P1max=35,51 МПа соответствует частота f=1963 Гц. Из полученных результатов следует вывод, что в установленной рабочей зо- не при различных режимах импульсного нагнетания наблюдается закономер- ность изменения максимумов размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, которая характеризует изменение гидросопротивления угольного пласта в процессе его гидрорыхления (рис.5). а б Рисунок 5 – Закономерности изменения максимумов размаха автоколебаний от давления нагнетания – а) и давления подпора жидкости в скважине – б) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 118 Таблица 1 - Результаты расчета размаха автоколебаний и частоты их следования при различных режимах нагнетания Рн = 5 МПа Рн = 10 МПа Рн = 20 МПа Рн = 30 МПа Pп, МПа P1, МПа f, Гц Pп, МПа P1, МПа f, Гц Pп, МПа P1, МПа f, Гц Pп, МПа P1, МПа f, Гц 0,05 1,18 459 0,1 2,36 652 0,2 4,71 926 0,3 7,05 1130 0,15 2,93 532 0,3 5,82 756 0,6 11,46 1075 0,9 16,93 1311 0,25 4,63 607 0,5 9,07 862 1,0 17,41 1225 1,5 25,15 1495 0,5 8,23 797 1 15,11 1133 2,5 26,36 1810 3 35,51 1963 1 10,89 1196 2 17,28 1700 4 26,19 2416 6 32,90 2860 1,5 9,43 1627 3 13,93 2312 6 20,16 3285 9 24,89 4008 2 6,97 2096 4 10,03 2979 8 14,31 4233 12 17,58 5163 2,5 4,66 2617 5 6,64 3719 10 9,42 5285 15 11,55 6447 3 2,75 3213 6 3,90 4566 12 5,53 6488 18 6,77 7915 3,5 1,30 3929 7 1,84 5583 14 2,61 7934 21 3,19 9678 в таблице приведены прореженные данные исследования ГК-2,5 на имитаторе скважины ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 119 Установленные закономерности изменения максимумов размаха автоколе- баний в зависимости от значений давления нагнетания жидкости и давления подпора в скважине описываются параболическими кривыми второй степени: ΔP1max=-0,025 Pн 2 +1,91 Pн R 2 =0,97, (7) ΔP1max=1,63 Pп 2 +6,6 Pп R 2 =0,96. (8) Коэффициент детерминации R 2 ≥0,96 свидетельствует о высокой степени достоверности полученных результатов. Полученные зависимости позволяют в дальнейшем, не проводя длительных экспериментальных исследований при моделировании процесса импульсного нагнетания жидкости, с достаточно высокой точностью проводить расчеты ре- жимных параметров гидроимпульсного воздействия. По зависимости (7) рассчитывается значение давления нагнетания жидкости на входе генератора, при котором обеспечиваются максимальные значения раз- маха автоколебаний, а по зависимости (8), исходя из значений давления подпо- ра жидкости в скважине, ведется контроль режима нагнетания. Выводы. Развитие инженерного метод расчета динамических параметров импульсного нагнетания жидкости позволило установить закономерности из- менения максимумов размаха автоколебаний в зависимости от его режимных параметров. При этом установлено что: – параметры динамического нагружения выбросоопасных угольных пластов для предельного случая скорости развития деформации ( =10 с -1 ) и трещино- образования позволили обосновать минимально необходимые значения им- пульсов давления в диапазоне 20…3 МПа соответственно частоте их следова- ния от 1 до 7 кГц; – в рабочем диапазоне режимов гидроимпульсного воздействия значения размаха автоколебаний P1 генерируемых устройством превышают их мини- мальные величины: при сжатии по напластованию (Е = 3∙10 2 и 5∙10 2 МПа) P1min = 6…1 МПа, а перпендикулярно напластованию (Е = 2∙10 3 МПа) P1min = 16…3 МПа; – в принятом диапазоне исследований рабочей зоны режимов гидроим- пульсного воздействия максимальные значения размаха автоколебаний P1max на выходе из генератора в 1,2…2,2 раза превышают давление нагнетания. При этом с ростом давления нагнетания Рн значения P1max сдвигаются вправо в сторону увеличения подпора Рп; – параметры динамического нагружения угольных пластов в импульсном режиме нагнетания при давлении жидкости на входе генератора устройства 10≤Pн≤22 МПа в рабочем диапазоне изменения давления подпора Рп от 1 до 12 МПа удовлетворяют условиям гидрорыхления выбросоопасных пластов. _______________________________ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. СОУ 10.1.001740088-2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинами- ческим явлениям: Утв. Минуглепромом Украины. – К.: Минуглепром Украины, 2005. – 225 с. 2. Бойко, Я.Н. Повышение эффективности гидрорыхления выбросоопасных угольных пластов в ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 120 подготовительных выработках и нишах / Я.Н. Бойко, А.В. Никифоров, А.А. Рубинский // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. науч. тр. / МакНИИ. – Макеевка: Донбасс, 2009. – №2 (24). – С. 52-57. 3. Васильев, Л.М. Гидроимпульсное рыхление угольных пластов при проведении подготовитель- ных выработок / Л.М. Васильев, В.В. Зберовский // Уголь Украины - №2.- 2013. - С. 44-47. 4. Жулай, Ю.А. Теоретическое обоснование динамических параметров импульсного нагнетания жидкости в угольный пласт / Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский, Д.Л. Васильев / Науковий вісник НГУ. – 2012. – № 3 (129). – C. 26-30. 5. Мохначев, М.П. Динамическая прочность горных пород / М.П. Мохначев, В.В. Присташ. – М.: Наука, 1982. – 142 с. 6. Лодус, Е.В. Влияние скорости деформирования на прочность и хрупкость удароопасных углей и каменной соли / Е.В. Лодус, С.Л. Романовский // Горное давление и горные удары. – Л.: ВНИИ гор- ной геомеханики и маркшейдерского дела, 1976. – №. 99. – С. 151-154. 7. Пилипенко, В.В. Кавитационные автоколебания / В.В. Пилипенко. – К.: Наукова думка, 1989. – 316 с. _______________________________ REFERENCES 1. Ukraine Ministry of Coal Industry (2005), 10.1.001740088.011:2005. Pravila vedeniya gornikh rabot na plastakh, sklonnikh k gazodinamiceskim yavleniyam: [10.1.001740088:2005. Rules of Mining on Layers Prone to Gas-Dynamic Phenomena], Ukraine Ministry of Coal Industry, Kyiv, Ukraine. 2. Boyko, Ya.I., Nikiforov, A.V. and Rubinskyi, A.A. (2009), “Increase of efficiency of hydro loosening of outburst-prone coal layers in development working and in niches”, Sbornyk nauchnikh trudov MakNII, no.2 (24), pp. 52-57. 3. Vasilyev, L.M. and Zberovskiy, V.V. (2013), “Hydropulsive loosening of coal layers in the preparato- ry developments workings”, Coal of Ukraine, no 2, pp. 44-47. 4. Zhulay, Yu.A., Angelovskiy, A.A. and Vasilyev, D.L. (2012) “Theoretical substantiation of dynam- ical parameters of impulse injection of a fluid into a coal bed”, Scientific Bulletin of NMU, no 3 (129), pp. 26-30. 5. Mohnachev, M.P. and Pristash, V.V. (1982), Dinamicheskaya prochnost gornykh porod [Dynamic strength of rocks], Science, Moscow, SU 6. Lodus, E.V. and Romanovskiy, S.L (1976), “The influence deformation rate on the strength and fra- gility impact dangerous coal and rock salt”, Gornoe davlenie i gornyue udary, VNII gornoy geomehaniki i marksheyderskogo dela, no 99, pp. 151-154. 7. Pilipenko, V.V. (1989), Kavitatsionnye kolebaniya [Cavitations self-oscillation], Naukova dumka, Kiev, SU. _______________________________ Об авторе Зберовский Василий Владиславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина. About the author Zberovskiy Vasily Vladislavovich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Researcher, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine. _______________________________ Анотація. В статті наведено результати теоретичного та експериментального методів ро- зрахунку динамічних параметрів гідроімпульсної дії на викидонебезпечні вугільні пласти. На підставі проведених досліджень обґрунтовані динамічні параметри і робочі діапазони імпу- льсних режимів нагнітання рідини, вдосконалена математична модель інженерного методу розрахунку частоти і розмаху кавітаційних автоколивань. Встановлено, що закономірність зміни максимумів розмаху автоколивань від тиску підпору рідини в свердловині, характери- зує зміну гідроопору вугільного пласта в процесі його гідророзпушування і описується пара- болічною залежністю другого ступеня. Визначено, що параметри динамічного навантаження вугільних пластів в імпульсному режимі нагнітання задовольняють умовам гідророзпушу- вання викидонебезпечних пластів. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №125 121 Ключові слова: гідроімпульсна дія, вугільний пласт, режим нагнітання, частота і розмах автоколивань, робочий діапазон Abstract. The results of theoretical and experimental methods of calculation of dynamic pa- rameters of hydroimpulsive influence on outburst coal layer are resulted in the article. Based on the studies was substantiated the dynamic parameters and operating ranges of pulsed liquid injection modes, enhanced mathematical model of an engineering method for calculating the frequency and amplitude of self-oscillation cavitations. It is set that conformity to the law of change of maximums of scope of self-oscillation from back water pressure of liquid in a mining hole, characterizes the change of coal layer hydro resistance in the process of him hydro breaking and is described by par- abolic dependence of the second degree. It was determined that parameters of the dynamic loading of coal layers in the impulsive injection mode of hydro breaking in outburst layers conditions are satisfy Keywords: hydroimpulsive influence, coal layer, injection mode, frequency and scope of self- oscillation, working range Статья поступила в редакцию 18.10.2015 Рекомендовано к печати д-ром техн. наук. Л.М. Васильевым

Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроимпульсного воздействия

Institution

Ähnliche Einträge