РАЗДЕЛ 2 ФИЗИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУИ С МАССИВОМ УГЛЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СКВАЖИН
2. 1. Особенности рабочего процесса взаимодействия импульсной струи с массивом угля
Разработка крутонаклонных и крутых пластов Центрального района Донбасса осуществляется, как правило, этажным способом. Высота этажа при этом составляет 120 - 150 м. Для подготовки нового забоя необходимо пробурить скважину на эту длину.
В разрабатываемой, с участием автора, импульсной скважинной установке бурение скважины осуществляется импульсной струей при давлении воды 23 - 26 МПа. Характерной особенностью технологии проведения скважины импульсной установкой является то, что между установкой и забоем в установившемся режиме ее работы образуется слой разрушенного угля [45] показанный на рисунке 2. 1. Высота образующегося разрушенного угля изменяется практически от 0 до 1 м. При прохождении слоя разрушенного угля часть энергии струи теряется. Таким образом, при определении параметров энергии струи на выходе генератора необходимо учитывать эти потери энергии, т. е. суммарная энергия импульсной струи на выходе генератора импульсов может быть представлена в виде:
(2. 1)
где Ер - энергия, необходимая для разрушения пласта;
Еп - потери энергии струи при прохождении ее через слой разрушенного угля.
На рисунке 2. 2 в качестве примера приведено изменение силы удара импульсной струи при прохождении через слой разрушенного угля для насадка диаметром 12 мм. На графике обозначено: Fу - сила удара импульсной струи; L - толщина слоя разрушенного угля. Подробнее данный вопрос рассмотрен в п. 2. 5.
Исходя из вышесказанного, можно сформулировать задачу исследования для определения:
- количества энергии, необходимой для разрушения пласта с заданными параметрами;
- потерь энергии.
Рис. 2. 1. Схема проведения скважины импульсной установкой.
Рис. 2. 2. Изменение силы удара импульсной струи при прохождении через слой разрушенного угля.
2. 2. Процесс взаимодействия импульсной струи с массивом угля
Для принятой конструкции импульсной установки для проведения скважин, обусловленной технологией проведения скважин, характерным является то, что взаимодействие импульса струи жидкости происходит в плоскости перпендикулярной груди забоя. При этом разрушение пласта происходит: во-первых, путем сжатия массива угля и доведения напряжения сжатия массива угля до предельного, во-вторых, разрушение угля происходит путем отделения от пласта отдельных частиц, которые по аналогии [45] будем именовать "сколами". При этом наиболее вероятными параметрами скола будут параметры, которые обусловлены трещиноватостью пласта. Таким образом, вероятно, разрушение угля при взаимодействии импульсной струи с пластом происходит так же, как при взаимодействии режущего инструмента исполнительного органа очистного комбайна с пластом. Однако, в месте с тем, следует отметить, что скорость перемещения струи в плоскости напластования пласта значительно (не менее, чем на порядок) меньше скорости резания при механическом способе разрушения пласта. При этом образуется воронка в виде усеченного конуса, глубина которой зависит от энергии удара, прочностных свойств угля, трещиноватости пласта и других факторов (рис. 2. 3), а форма поперечного сечения воронки близка к эллипсоидальной (рис. 2. 4). Как показали исследования, это обусловлено рассеиванием (деформацией) поперечного сечения струи при прохождении через слой разрушенного угля.
Описанный выше процесс взаимодействия импульсной струи с массивом пласта и образующиеся при этом воронки относятся к образованию первой воронки, которая может располагаться в любой точке забоя. При повороте насадка генератора импульсной струи в плоскости напластования (влево или вправо) от исходного положения или в плоскости перпендикулярной напластованию (вверх или вниз) образуется вторая и все последующие воронки (рис. 2. 5). На рисунке 2. 5 обозначено: lраз - расстояние от насадка до забоя, tp - шаг разрушения угля. Характерной особенностью разрушения угля при образовании второй и последующих воронок в пласте при воздействии на него импульсной струи является то, что разрушение пласта происходит при наличии второй обнаженной поверхности (рис. 2. 6). Наличие указанной обнаженной поверхности ослабляет массив угля, и разрушение его происходит при меньших затратах энергии. При непрерывном перемещении (повороте влево-вправо или поднятии-опускании) образуется так называемая врубовая щель, с шириной равной bщ [24, 25, 28, 32].
Рис. 2.3. Параметры образуемых воронок при одиночных импульсах струи
Рис. 2.4. Общий вид получаемых воронок при числе импульсов до 10
Рис. 2. 5. Схема разрушения угольного массива импульсной струей
Рис. 2. 6. Схема образования врубовой щели при разрушении угольного массива импульсной струей
При слабых углях (с малой сопротивляемостью резанию) и слабом спае его с вмещающими породами разрушение пласта происходит путем образования врубовой щели у лежачего бока пласта на глубину до 30 см и с последующим самообрушением этой пачки пласта по всей его мощности. При более крепких углях (с большей сопротивляемостью резанию) и более прочном спае его с вмещающими породами разрушение пласта может производиться путем образования врубовой щели по всему периметру забоя. При крепких углях и сильном спае его с вмещающими породами разрушение может производиться по всей площади груди забоя [28, 36, 38].
Характерной особенностью при образовании врубовой щели или врубовых щелей является появление дополнительной обнаженной плоскости шириной равной глубине вруба hщ.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сказать, что разрушение угольного пласта импульсной струей происходит принципиальн