Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов
В роботі дано зіставлення теоретичного розрахунку з експериментальними даними частоти і розмаху автоколивань тиску кавітаційного пристрою. Рекомендовані коригування робочого граничного відношення тиску до напірного тиску, з урахуванням яких істотно підвищується достовірність теоретичного розрахунку....
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53735 |
| 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: | Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов / А.А. Ангеловский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 114-119. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53735 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-537352014-01-27T03:11:55Z Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов Ангеловский, А.А. В роботі дано зіставлення теоретичного розрахунку з експериментальними даними частоти і розмаху автоколивань тиску кавітаційного пристрою. Рекомендовані коригування робочого граничного відношення тиску до напірного тиску, з урахуванням яких істотно підвищується достовірність теоретичного розрахунку. This paper gives a comparison of theoretical calculations with experimental data of frequency and amplitude of oscillation of the cavitation pressure device. Recommended adjusting the boundary of the working relationship of pressure to the discharge pressure, under which substantially increases the reliability of theoretical calculations. 2012 Article Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов / А.А. Ангеловский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 114-119. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53735 [681.523.24:532.5:62-9]:622.031 ru Геотехническая механика 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 роботі дано зіставлення теоретичного розрахунку з експериментальними даними частоти і розмаху автоколивань тиску кавітаційного пристрою. Рекомендовані коригування робочого граничного відношення тиску до напірного тиску, з урахуванням яких істотно підвищується достовірність теоретичного розрахунку. |
| format |
Article |
| author |
Ангеловский, А.А. |
| spellingShingle |
Ангеловский, А.А. Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов Геотехническая механика |
| author_facet |
Ангеловский, А.А. |
| author_sort |
Ангеловский, А.А. |
| title |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| title_short |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| title_full |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| title_fullStr |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| title_full_unstemmed |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| title_sort |
определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53735 |
| citation_txt |
Определение гидродинамических параметров устройства для импульсного рыхления угольных пластов / А.А. Ангеловский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 98. — С. 114-119. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT angelovskijaa opredeleniegidrodinamičeskihparametrovustrojstvadlâimpulʹsnogoryhleniâugolʹnyhplastov |
| first_indexed |
2025-07-05T05:04:55Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:04:55Z |
| _version_ |
1836782081623982080 |
| fulltext |
114
УДК [681.523.24:532.5:62-9]:622.031
Асп. А.А. Ангеловский
(ИГТМ НАН Украины)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО РЫХЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ
ПЛАСТОВ
В роботі дано зіставлення теоретичного розрахунку з експериментальними даними час-
тоти і розмаху автоколивань тиску кавітаційного пристрою. Рекомендовані коригування ро-
бочого граничного відношення тиску до напірного тиску, з урахуванням яких істотно підви-
щується достовірність теоретичного розрахунку.
THE DETERMINATION OF HYDRODYNAMIC PARAMETERS OF THE
PULSE DEVICE FOR LOOSENING COAL SEAMS.
This paper gives a comparison of theoretical calculations with experimental data of frequency
and amplitude of oscillation of the cavitation pressure device. Recommended adjusting the bound-
ary of the working relationship of pressure to the discharge pressure, under which substantially in-
creases the reliability of theoretical calculations.
Одним из эффективных способов предотвращения внезапных выбросов угля
и газа является гидрорыхление угольного массива путём статического нагнета-
ния воды или водных химреактивов (ПАВ или ХАВ) в угольные пласты, обес-
печивающее разгрузку последних от горного давления и дегазацию призабой-
ного пространства через систему вновь образованных трещин.
Однако практикой ведения горных работ выявлен ряд существенных недос-
татков статического нагнетания. При сложном строении угольного пласта из-за
наличия слоёв и пропластков с низкими фильтрационными свойствами непре-
рывное нагнетание воды сопровождается её прорывом в свободное пространст-
во с падением гидростатического давления. В результате в угольном пласте
формируются локальные зоны пригрузки, которые при проведении работ по
выемке угля являются инициаторами газодинамических явлений.
Одним из перспективных направлений, позволяющих исключить эти недос-
татки, является создание высокоамплитудных гидродинамических волн в сква-
жине устройством (рис. 1), основанным на явлении периодически-срывной ка-
витации, реализующейся путём подачи жидкости через трубку Вентури с углом
раскрытия диффузора 18-22°.
1 – корпус, 2 – герметизатор, 3 – генератор упругих колебаний, 4 – переходник с канала-
ми для отвода жидкости, 5 – трубка для отвода жидкости, 6 – патрубок под высоконапорный
рукав, 7 – запорная втулка с переходником под манометр
Рис. 1 – Устройство гидроимпульсного воздействия на угольный пласт
115
Для определения гидродинамических параметров устройства (рис. 1), разра-
ботанного под параметры насосных установок (расход в 40-50 л/мин, макси-
мальное рабочее давление 20-32 МПа), воспользуемся теоретическими разра-
ботками Института технической механики НАН Украины.
Теоретическое определение частоты и размаха колебаний давления, созда-
ваемых кавитационным генератором, выполним, следуя работе [1], преобразо-
вав полученные в ней формулы применительно к зависимостям размаха и час-
тоты колебаний от давления подпора.
В этой работе предполагалось, что природа высокочастотных кавитацион-
ных колебаний аналогична известным в гидродинамике струхалевым частотам
(частотам срыва вихрей при отрывном обтекании цилиндра в направлении по
нормали к оси). Формулу для расчета частот f представим в виде
( )01
кp
кр
PP11
r
2
tgv
f −−⋅
⋅
=
μ
β
, Гц (1)
где скорость жидкости νкр в критическом сечении генератора определяем по
известной формуле
( ) ρк0кр PP2v −= , м/с (2)
где β – угол раскрытия диффузора, град; rкр – радиус критического сечения ге-
нератора, м; μ – коэффициента расхода генератора; Р1 / Р0 – параметр, характе-
ризующий степень развития кавитации и представляющий собой отношение
давления подпора Р1, Па, под действием которого происходит захлопывание
каверны, к давлению нагнетания Р0, Па, под действием которого каверна воз-
никает и растет; ρ – плотность жидкости, кг/м3; Рк – давление в каверне, Па.
Для определения размаха колебаний давления [1], записывалось уравнение
баланса жидкости в отклонениях для выделенного объема жидкости (в котором
находится оторвавшаяся часть кавитационной каверны) с последующей линеа-
ризацией уравнения, несмотря на то, что колебания давления в системе за кави-
тационным генератором заметно отличаются от гармонических. Далее вводи-
лись в рассмотрение отношение комплексных амплитуд колебаний давления и
расхода, представляющие собой импедансы гидравлических систем до и после
выделенного объема жидкости с кавитационной полостью, и после их опреде-
ления была получена формула для расчетов амплитуд давления в виде
( )
( ) 2
к
к
22
к
2
2
2
д
2
с.кр
2
д2
м
22
кр1 l
V
сl
FIv2
1
ISh2vP
δ
π
πρδ ⋅
⋅
⋅⋅⋅
+
⋅= , м (3)
116
где Shм – число Струхаля
( )0101м PP111PP11Sh −−−−−=
μ
; (4)
Iд – коэффициент инерционного сопротивления участка диффузора генератора
колебаний, расположенного между новой оседлой каверной и выходом из диф-
фузора, который определяется по формуле
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⋅+
−
⋅+
⋅
⋅
=
2
tglr
1
2
tglr
1
2
tg
1I
dкрккр
д βββπ
; (5)
F2 – площадь выходного сечения диффузора генератора, м2; ld – осевая длина
диффузора генератора, м; δVк – амплитуда колебаний объема каверны, которая
определяется с учетом того, что её объем равен максимальному объему оседлой
кавитационной каверны в момент её отрыва, м3
,ll ,
2
tg
2
tgl
2
tg
2
tgl3r)(13r
2
lV дк
222
кк
2
кр
2
кр
к
к ≤⎥⎦
⎤
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −⎢⎣
⎡ +⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −+−= αβαβμπδ (6)
lк, м – длина кавитационной полости определяется по формуле
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−−
⋅= 1
PP11
2
tg
r
l
01
кр
к
μ
β ; (7)
α – угол расширения струи жидкости, град; с – скорость звука, м/с.
При решении тестовой задачи формула (3) с учетом выражений (2, 4 - 7) да-
ет удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных значений
амплитуд колебаний на выходе из генератора с геометрическими и режимными
параметрами (β = 20°, rкр = 7·10–3 м, lд = 1,3·10–2 м, D = 5,6·10–2 м, μ = 0,95 при
давлении нагнетания Р0 = 3,0 МПа), приведенными в работе [1].
Однако расчеты, выполненные для кавитационного генератора с геометри-
ческими параметрами β = 200, rкр = 1,25·10–3 м, lд= 2,13·10–2 м, D = 1·10–2 м, ука-
зали на заметное расхождение теоретических и экспериментальных зависимо-
стей размаха колебаний давления ΔP1 от давления подпора Р1, как это видно из
рис. 2.
117
1 (расчёт) и Δ (эксперимент) при Р0 = 10 МПа; 2 (расчёт) и ○ (эксперимент) при Р0 =30 МПа
Рис. 2 – Зависимости размаха колебаний ΔP1 от давления подпора Р1
Из сопоставления этих зависимостей видно, что теоретические значения
пульсаций по сравнению с экспериментальными данными завышены ≈ 5 – 20%,
а их максимальные значения сдвинуты в сторону увеличения давления подпора
≈ на 2 МПа для давления нагнетания Р0 = 10 МПа и на 5 МПа для Р0 = 30 МПа.
На взгляд автора, это связано с тем, что приведенные расчетные формулы
были получены на базе анализа экспериментальных исследований колебаний,
возбуждаемых генераторами, диаметры критических сечений которых были
значительно большими (а, следовательно, и расходы) диаметра исследуемого
малорасходного генератора с dкр = 2,5·10–3 м. Обстоятельства, которые вызыва-
ют расхождения в расчетных и экспериментально полученных зависимостях
размаха ΔP1 от подпора Р1, были изучены при анализе результатов эксперимен-
тального исследования характеристик этого генератора.
Было установлено, что независимо от величины давления подачи жидкости
на вход генератора, режим кавитационного течения жидкости в нем возникает
при значениях давления подпора Р1 от 0,01 Р0 до 0,015 Р0 и прекращается при
достижении Р1 от 0,85 Р0 до 0,9 Р0. В формулах по определению частоты следо-
вания импульсов (1), длины кавитационной полости (7) и модифицированного
числа Струхаля (4) входит подкоренное выражение 01 PP1− , т.е. считается,
что кавитационный режим течения жидкости прекращается при достижении
граничного значения Р1 / Р0 = 1 (Р0 = Р1), когда течение жидкости отсутствует.
Снижение граничного значения Р1 / Р0 обусловлено потерями полного давления
при внезапном расширении потока жидкости за кавитационной каверной и по-
терями по длине трубопровода.
Как показали автономные испытания генератора, кавитационно-срывное те-
чение жидкости за ним прекращается при Р1/Р0 ≈ 0,88. Следовательно, в расче-
тах подкоренное выражение 01 PP1− следует поменять на выражение
01 PP88,0 − . Исходя из вышеизложенного, выражения для определения час-
118
тоты, длины кавитационной полости и модифицированного числа Струхаля
приобретают вид:
( )01
кp
кр
PP88,01
r
2
tgv
f −−⋅
⋅
=
μ
β
, (8)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−−
⋅= 1
PP88,01
2
tg
r
l
01
кр
к
μ
β , (9)
( )0101м PP88,011PP88,01Sh −−−−−=
μ
. (10)
Использование в расчетах зависимостей (8-10) при определении размаха ка-
витационных автоколебаний давления (3) и их частоты от давления подпора по-
зволило получить удовлетворительное согласование с экспериментальными
данными, как показано рис. 3 и 4.
1 (расчёт) и Δ (эксперимент) при Р0 = 10 МПа; 2 (расчёт) и ○ (эксперимент) при Р0 =30 МПа
Рис. 3 – Зависимости размаха колебаний ΔP1 от давления подпора Р1
0
10
20
30
40
0 5 10 15 20 25Р 1,МПа
ΔР1 ,
МПа
1
2
119
1 (расчёт) и Δ (эксперимент) при Р0 = 10 МПа; 2 (расчёт) и ○ (эксперимент) при Р0 =30 МПа
Рис. 4 – Зависимости частоты колебаний f от давления подпора Р1
Из рассмотрения рисунков видно, что с ростом давления подпора Р1 частота
f растает практически по линейному закону. Характер зависимости размаха ко-
лебательной величины ΔР1 от давления подпора Р1 нелинейный. При фиксиро-
ванном значении давления подпора Р1 увеличение давления на входе Р0 приво-
дит к снижению частоты f. Так, при значении давления подпора Р1 = 5,0 МПа с
ростом давления нагнетания Р0 от 10,0 до 30,0 МПа частота кавитационных ав-
токолебаний падает с ≈ 4000 до ≈ 2200 Гц. Увеличение давления на входе Р0
приводит к росту размаха ΔР1 колебательной величины давления. При давлени-
ях на входе Р0 = 10 и 30 МПа максимальные значения размаха ΔР1 = 18,7; и
36,3 МПа наблюдаются при давлениях подпора Р1 ≈ 1,4; и 3,5 МПа соответст-
венно. В то же время установлена тенденция снижения относительных значе-
ний ΔР1 / Р0 с увеличением давления нагнетания Р0, так при Р0 = 10 МПа ΔР1 /
Р0 ≈ 1,8, а при Р0 = 30 МПа ΔР1 / Р0 ≈ 1,2.
Вышеизложенное позволяет сформулировать следующие выводы:
- математическая модель В.В. Пилипенко, нестационарного кавитационного
течения жидкости, скорректирована автором статьи путём изменения верхнего
граничного значения отношения Р1 / Р0 с единицы на 0,88, установленного на
основании проведенных экспериментальных исследований параметров мало-
расходного высоконапорного кавитационного генератора.
- несмотря на сложную гидродинамическую картину течения в проточной
части кавитационного генератора и трудности ее математического описания,
получено удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных
данных. Это позволит в дальнейшем значительно сократить объем эксперимен-
тальных исследований по определению динамических характеристик погруж-
ных малорасходных кавитационных генераторов для обеспечения повышения
эффективности предварительного увлажнения угольных пластов и борьбы с
вредными явлениями в шахтах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пилипенко, В.В. Кавитационные автоколебания / В.В. Пилипенко. – К.: Наук. думка, 1989. – 316 c.
0
4000
8000
12000
0 5 10 15 20 25 Р 1,МПа
f, Гц
1
2
120
УДК 539.421.5:622.831:552.513
Канд. техн. наук Л. Л. Бачурин
(КИИ ДонНТУ),
д-р техн. наук В. Н. Ревва
(ИФГП НАНУ)
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАЧАЛЬНОЙ МИКРОТРЕЩИНЫ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПЕСЧАНИКОВ
СПОСОБОМ РАЗРЫВА ДИСКОВЫХ ОБРАЗЦОВ
Описано підхід до оцінки характерного розміру поверхневого дефекту (умовної мікро-
тріщини) для визначення тріщиностійкості пісковиків способом відцентрового розриву дис-
кових зразків без штучних надрізів або тріщин. Представлено результати моделювання роз-
витку тріщини у дискових породних зразках.
GROUND OF PARAMETERS OF INITIAL MYKRO-QRACK FOR
DETERMINATION OF CRACK-STEADFAMS SANDSTONES BY METHOD
OF BREAK OF DISK STANDARDS
Approach to estimation of characteristic size of superficial defect (conditional микротрещины)
for determination of treschynostoykosty sandstones by the method of centrifugal break of disk stan-
dards without artificial incisions or cracks is described. The results of design of development of
crack in disk pedigree standards are represented.
Одним из способов определения характеристик трещиностойкости горных
пород с использованием керновых образцов является схема центробежного раз-
рыва диска с отверстием под действием прилагаемого к внутренней поверхно-
сти давления [1, 2]. Способ разработан в Институте физики горных процессов
НАН Украины и предназначен для определения эффективной поверхностной
энергии (ЭПЭ) при прогнозе выбросоопасности песчаников по ЭПЭ.
При разработке методики испытания образцов по данному способу было
высказано предположение, что с учетом первоначально дефектной структуры
горных пород можно обойтись без формирования стартового надреза (пропила)
на поверхности образца для инициации трещины. Очевидно, что если в мате-
риале образца изначально существуют произвольно расположенные микротре-
щины, при нагружении происходит их дальнейшее развитие, сгущение в зоне
наибольшей концентрации напряжений, объединение в магистральную эффек-
тивную трещину и дальнейшее её распространение вплоть до полного разруше-
ния. В целом описанная картина соответствует представлениям о стадиях хруп-
кого разрушения микродефектных материалов и, в частности, горных пород [3].
В то же время подавляющее большинство разновидностей образцов, исполь-
зуемых при определении характеристик трещиностойкости материалов, имеют
пропилы, либо искусственные трещины, к геометрии и тщательности подготов-
ки которых предъявляются повышенные требования. Как показано в работах [4,
5], эти требования применительно к горным породам не лишены ряда недостат-
ков, поскольку принятие пропила или надреза в качестве трещины является
весьма грубым допущением для пород мелкозернистой структуры.
Разработанный авторами способ определения трещиностойкости горных по-
род, в отличие от применяющихся в настоящее время способов, обеспечивает
|