Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование и прогноз эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Моделирование и прогноз эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами"

На правах рукописи

Карасёв Кирилл Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005552628

Екатеринбург - 2014

-18 сен гон

005552628

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Латышев Олег Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Соколов Игорь Владимирович, Институт горного дела Уральского отделения РАН, заведующий лабораторией подземной геотехнологии;

кандидат технических наук Аксенов Анатолий Аркадьевич, Уральский филиал научно-исследовательского института геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ), заведующий лабораторией горных ударов.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»

Защита состоится 16 октября 2014 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.280.02 на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» http://science.ursmu.i-n/ti-aineeship/dissertacionnve-sovetv/d-212-280-02.html

Автореферат разослан 1 сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В. К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Определяющим процессом любой горной технологии является разрушение пород. Применительно к подземной разработке прочных скальных пород наиболее распространенным, а подчас единственно возможным способом являются буровзрывные работы (БВР). По трудоемкости и времени процесс бурения составляет до половины общих затрат на строительство выработок и добычу полезных ископаемых. В этой связи -главной задачей науки и практики является повышение эффективности указанного процесса.

Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования процесса бурения является управление свойствами и состоянием горных пород. Эффективным инструментом этого служит использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Основанное на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера) действие ПАВ сопровождается разупрочнением пород и другими эффектами, способствующими повышению эффективности их разрушения. Приоритет в обосновании и разработке данного направления принадлежит отечественным ученым. Имеется положительный опыт использования ПАВ при бурении в подземных условиях. Однако широкое применение поверхностно-активных веществ в горном деле сдерживается следующими факторами.

Избирательность действия ПАВ требует определения эффективных растворов и поддержания их оптимальной концентрации для данных пород и условий разрушения. В настоящее время нет достаточно работоспособной методики прогноза эффективности использования ПАВ в процессе бурения, без чего невозможно проектировать рациональные параметры технологии этого процесса. Достаточно хорошо изучено влияние ПАВ на прочностные и упругие свойства пород, но все это сделано на феноменологическом уровне, т. е. имеется множество данных по конкретным породам, но нет ясной теоретической концепции, которая могла бы явиться основой прогноза. Общепризнано, что разрушаемость пород (особенно при бурении) определяется зарождением и развитием трещин. Поэтому требуются дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования развития трещинной структуры горных пород в поверхностно-активной среде. При этом необходимо учитывать и исследовать трещины как фрактальные объекты.

Таким образом, тема диссертационных исследований, направленных на решение указанных задач, является актуальной.

Объект исследований - процесс бурения в условиях направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами.

Предмет исследований - закономерности воздействия ПАВ на трещинную структуру и свойства горных пород, определяющие эффективность процесса бурения.

Цель работы - разработка метода прогноза эффективности использования ПАВ при бурении на основе моделирования процесса.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей воздействия ПАВ на характеристики горных пород и процессов их

разрушения для прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ при бурении шпуров.

Задачи исследований:

1. Разработка методики выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации применительно к процессу бурения горных пород.

2. Исследование влияния ПАВ на характеристики трещинной структуры и свойства горных пород.

3. Моделирование процесса бурения.

4. Обоснование критериев эффективности процесса бурения на основе учета комплекса свойств пород и параметров технологии.

5. Анализ результатов опытно-промышленных испытаний и разработка методов прогноза эффективности использования ПАВ в процессе буровзрывных работ при проходке выработок.

Методы исследований: анализ теорий прочности и физики разрушения горных пород в процессе бурения; современные стандартные методики лабораторного определения свойств горных пород; люминесцентный метод дефектоскопии пород; моделирование процесса бурения; оценка результатов с позиций теории информации, физики разрушения горных пород и фрактальной геометрии.

Защищаемые научные положения:

1. Методика выбора эффективных для данных горно-геологических условий растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, основанная на фрактальном тренд-анализе временных рядов контактной прочности, позволяет осуществлять прогноз изменения свойств горных пород в поверхностно-активной среде.

2. Прогноз результатов использования ПАВ в горной технологии основывается на критериях: эффективности бурения, стойкости бурового инструмента, пы-леобразования, учитывающих взаимообусловленность параметров техники, технологии и комплекса свойств пород, адекватность которых подтверждается результатами моделирования процесса и промышленных экспериментов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается: непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным положениям физики разрушения горных пород и теорий бурения; достаточным (с точки зрения заданного уровня надежности - 95 %) объемом и представительностью статистических выборок, явившихся основой для установления основных закономерностей, изложенных в работе; удовлетворительным соответствием прогнозных оценок результатам модулирования и опытно-промышленного бурения шпуров; апробацией и положительными результатами использования разработанных рекомендаций и методик.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- Разработана методика выбора оптимальных для данных пород растворов ПАВ, основанная на анализе временных рядов контактной прочности пород и отличающаяся комплексным использованием статистических и фрактальных (показатель Хёрста) характеристик ряда.

- Определены закономерности трещинообразования и изменения свойств горных пород в поверхностно-активной среде, что создает основы моделирования процесса бурения.

- Разработана математическая модель разрушения пород единичным ударом бурового инструмента на основе описания работы ядра уплотнения на стадиях деформирования пород с учетом установленных закономерностей воздействия ПАВ на данные процессы.

- Обоснованы формулы критериев эффективности бурения шпуров с точки зрения производительности процесса, износа инструмента и выхода пыли на основе учета комплексной взаимообусловленности комплекса свойств пород, технологических параметров и действия поверхностно-активной среды.

- Разработана система прогнозных оценок, основанная на компьютерной модели оптимизации технологии проходки выработок, учитывающая положительные эффекты бурения шпуров с промывкой растворами ПАВ.

Практическая значимость работы заключается в разработке комплексной методики прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессе бурения скальных пород, включающей выбор эффективных растворов ПАВ, оценку скорости бурения, износа и затупления бурового инструмента, пылеподавления. Это создает основу проектирования оптимальной технологии горных работ.

Личный вклад состоит в постановке задач исследований; непосредственном участии в лабораторных исследованиях трещинной структуры и свойств горных пород в поверхностно-активной среде; в осуществлении моделирования процесса бурения; в анализе результатов опытно-промышленных испытаний и разработке критериев эффективности использования ПАВ в процессе бурения; в формировании основных выводов и результатов работы.

Реализация результатов работы. Разработанные рекомендации и методики переданы для использования в организациях: Институте горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ООО «Унипромедь». Полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы при подготовке учебников по дисциплинам: «Физика горных пород», «Моделирование физических процессов в горном деле», регламентируемым Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС-3), а также при проведении занятий по данным курсам, в которых автор принимает непосредственное участие.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на III Всероссийской молодежной научно-практической конференция 10-13 февраля 2009 г. -г. Екатеринбург; на Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса - г. Санкт-Петербург (2011 г.); на IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», - г. Екатеринбург (2013 г); на Международной технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» г. Екатеринбург (2014 г.); на ежегодных молодежных научно-практических конференциях Уральского государственного горного университета, Екатеринбург (2008-2014 гг.).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных работах. Из них 7 статей в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Объем и структура работы.

Объем диссертации составляет 156 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка, и 20 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 168 наименований.

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, цель и задачи исследований, выбраны методы, сформулированы основные научные положения, указана научная новизна и личный вклад автора, отмечена практическая ценность, реализация и апробация работы.

В главе 1 на основе анализа современных теорий прочности, закономерностей разрушения горных пород в процессе бурения, физики действия поверхностно-активных веществ поставлена цель и обоснованы задачи исследований.

Глава 2 посвящена разработке методики выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации и исследованию влияния ПАВ на развитие трещинной структуры и формирование свойств горных пород.

В главе 3 обсуждаются результаты моделирования процесса бурения, дается обоснование критериев эффективности буровых работ.

Глава 4 содержит анализ результатов опытно-промышленного бурения шпуров и скважин, обоснование методики прогноза эффективности использования ПАВ, рекомендации по проектированию оптимальных параметров процесса бурения.

Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.; госбюджетной НИР «Теоретические основы прогноза прочности и устойчивости горных пород в подземных выработках с учетом фрактальных характеристик трещинной структуры», выполняемой по заданию Минобрнауки РФ (2011-2013 гг.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Многочисленные исследования в области бурения горных пород (Н. С. Успенский, И. А. Остроушко, Л. А. Шрейнер, Э. О. Миндели, Б. И. Воздвиженский, И. А. Тангаев, Ю. И. Протасов и др.), по общему признанию, не привели в настоящее время к созданию адекватной работоспособной теории. Это вызвано как сложностью объекта воздействия - горной породы, так и отсутствием единой теории прочности. Однако установлено, что характеристики процесса разрушения горных пород определяются особенностями их трещинной структуры. Физические закономерности зарождения и развития трещин лежат в основе современных теорий прочности (А. Гриффите, Е. Орован, Дж. Ирвин, Г. П. Черепанов, С. Н. Журков). Перспективным средством воздействия на динамику развития трещин и, следовательно, направленного изменения прочности и упругости пород являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Их действие (эффект Ребиндера) носит универсальный характер и проявляется в изменении практически всего комплекса свойств горных пород (А. Д. Алексеев, Г. Я. Воронцов, Ю. В. Горюнов, И. И. Круглицкий, Н. Ф. Кусов, О. Г. Латышев, Г. И. Марцинкевич, Ф. Д. Овчаренко, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин, О. А. Эделыитейн и др.).

Теория и опыт использования поверхностно-активных веществ в различных областях народного хозяйства свидетельствуют о необходимости проведения специальных исследований по выбору эффективных для данных условий ПАВ в их оптимальной концентрации. Это обусловлено высокой избирательностью активных растворов, заключающейся в наличии ярко выраженного максимума их эффективности. Особенно важен вопрос выбора ПАВ для таких изменчивых образований, как горные породы. Неверно подобранный активный раствор не только может не проявить нужный эффект, но и привести к прямо противоположному результату. Классические методы оценки активности ПАВ (путем определения изотермы адсорбции, удельной поверхностной энергии и др.) отличаются высокой трудоемкостью и требуют наличия специально оснащенной лаборатории. В этой связи более перспективным представляется предложенный О. Г. Латышевым показатель контактной прочности пород Рк, который более доступен в определении (в том числе в производственных условиях) и напрямую характеризует буримость горных пород. Однако величина Рк зависит от времени Т контакта горной породы с активным раствором, причем временная функция Рк =Л Т) имеет циклически затухающий характер, обусловленный закономерностями кинетики насыщения и пластифицирования пород растворами ПАВ (рис. 1).

Задачей разработки методики выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации является обоснование однозначной процедуры анализа таких периодических временных функций. В результате исследования более сотни таких графиков, полученных для разных пород и растворов ПАВ в их различной концентрации, установлено следующее. Устойчивость показателей Рк в первой полуволне, отражающей максимальное понижение контактной прочности в растворе, подтверждается значениями корреляционной функции. Это позволяет с большой долей уверенности утверждать, что исследуемая зависимость обладает свойством эргодичности. Тогда единственная реализация такой зависимости при достаточно большом времени испытаний (до 20-30 минут) может дать статистически надежную характеристику временного ряда изменчивости контактной прочности горных пород. Проверка гипотезы о наличии тренда по различным критериям (инверсий, Вальда, автокорреляции) показала, что для всех изученных

Рис. I. Измерение контактной прочности Рис. 2. Зависимость относительного

порфирита в растворе ПАВ изменения ДА от времени действия ПАВ

Последние данные (включая исследования кафедры шахтного строительства УГГУ) показывают, что временные и пространственные ряды, представленные в виде графиков, обнаруживают явные фрактальные свойства, то есть обладают свойством самоподобия. Наши исследования с помощью метода фрактальных длин показали, что временные ряды контактной прочности также обладают всеми свойствами фрактала. Способы оценки фрактальных характеристик временных рядов столь же многообразны, как и сами эти ряды. Для реализации наших исследований представляется наиболее адекватным метод нормированного размаха, основанный на законе Хёрста:

Г©"'

Применительно к классической функции временного ряда х =/(/) в последней формуле Т - общий период наблюдений; Я - размах варьирования, т. е. максимальная абсолютная разница между значениями х(г): Я = /хтах - хтт/ за все время наблюдений Т. Среднеквадратическое (стандартное) отклонение определится классической формулой:

5 = (2)

где <Х> - среднее арифметическое всех членов ряда.

Таким образом, анализ фрактальных свойств временных рядов в данном случае сводится к вычислению значения показателя Хёрста Н. Формулу (1) можно привести к виду:

1п(А5) = #1п(772). (3)

Тогда показатель Н будет представлять собой угловой коэффициент графика Я/Б = Дг), построенного в двойных логарифмических координатах. Применительно к специфике временных рядов контактной прочности, имеющих явно выраженный циклический характер, представляется целесообразным определять показатель Хёрста по отдельным участкам графика, выделенным по каким-либо специальным признакам или статистическим критериям. Адаптация данного метода к специфике изменения контактной прочности в растворах ПАВ позволила разработать следующую процедуру анализа.

Для оценки применимости закона Хёрста к временным рядам контактной прочности определялась зависимость (3) при непрерывном изменении Т в ходе экспериментов. Применительно к временному ряду, представленному на рис. 1, получена следующая зависимость - рис. 2. Хорошо заметно, что в начальной стадии испытаний (примерно до 20 мин выдержки образца в растворе ПАВ) зависимость практически строго линейна, т. е. соответствует закону Хёрста. Статистический анализ показал близость коэффициента корреляции к единице. Уравнение связи: 1п(Л/5) = 0,39 1п(772) + 0,36. Наличие свободного члена в уравнении связано с тем очевидным обстоятельством, что при 1п(7У2) = 0, т. е. Т= 2 мин, 1п(Л/5) заведомо отличен от нуля. При выдержке образца в растворе ПАВ более 20 мин временной ряд становится неустойчивым и зависимость (3) не выдерживается. На уровне Т> 20 мин показатель Хёрста становится меньше 0,5, что свидетельствует о смене тенденции временного ряда.

I 1

Таким образом, при оценке эффективности ПАВ следует использовать только ту часть экспериментальной зависимости контактной прочности от времени выдержки образца в растворе, которая соответствует закону Хёрста, т. е. обладает статистической устойчивостью. В качестве критерия выбора эффективного раствора ПАВ в его оптимальной концентрации следует использовать минимум первой полуволны зависимости Рк =/(7) в указанном интервале. Для изученных зависимостей наилучшее приближение к опытным точкам дает уравнение полинома третьей степени: PK(t) = A,t + Ait2 + Л3г\ имеющего экстремум при t = [-А2 +\А22 - ЗА]А3\ '/2]/Зу43. В качестве вспомогательного критерия рекомендуется использовать величину углового коэффициента графика зависимости ln^R/S) = f [ln(772)] (рис. 2).

Все указанные процедуры заложены в компьютерную программу анализа временных рядов, которая позволяет оперативно вычислять критериальное значение Рк и осуществлять выбор эффективных для данных условий раствор ПАВ в его оптимальной концентрации. Такой выбор осуществлен для наиболее представительных пород Урала и Горловского региона Донбасса.

Следующим этапом исследований явилось исследование закономерностей трещинообразования и изменения механических свойств горных пород под действием ПАВ. Для изучения трещиноватости использовался разработанный на кафедре шахтного строительства УГГУ микроскопический метод люминесцентной дефектоскопии. Образцы эффузивных пород Урала пироксен-плагиоклазового комплекса нагружались до 25 МПа в естественном состоянии, насыщенными водой и оптимальным раствором ПАВ (А1С13 - 0,001 %). На первом этапе по классической методике определялась линейная длина каждой трещины. Однако на полученных электронных фотографиях трещинной структуры образцов видно, что реальные трещины имеют сложную конфигурацию, количественно оценить которую можно с помощью их фрактальной размерности.

В соответствии с законом Ричардсона длина трещины нелинейно зависит от шага измерений 5:1фр = L0 [1У5] df'\ где L0 - линейная длина трещины, принимаемая как расстояние между ее вершинами; df- ее фрактальная размерность, определяющая истинную геометрию трещины. По комплексной методике и компьютерным программам, разработанным на кафедре шахтного строительства УГГУ (О. Г. Латышев, И. С. Осипов), определена фрактальная размерность каждой трещины, вычислены их истинные размеры при 6=10 мкм, соответствующем разрешающей способности микроскопа. Распределение трещин разного размера приведено на диаграмме (рис. 3).

Анализ полученных результатов показывает, что действие поверхностно-активной среды связано как ростом существующих в породе трещин, так и зарождением новых. В среднем действие ПАВ приводит к увеличению концентрации трещин и их удельной поверхности в 4 раза, степень нарушенности возрастает более чем в 6 раз. Такое изменение трещиной структуры пород неизбежно должно сказаться на их свойствах.

Длина трещины /, мкм

I 0з воздухе Ов воде (За растворе ПАВ Í

Рис. 3. Распределение трещин в горной породе

По современным стандартным методикам проведено определение плотно-стных, акустических, деформационных и прочностных свойств порядка 60 лито-типов эффузивных пород Урала. Анализ графиков деформации показал, что действие ПАВ приводит к снижению статического модуля упругости в 1,5 -2,2 раза. В такой же пропорции снижается юс предел упругости.

Относительное снижение прочности пород в активной среде составляет от 41 до 63 %. Для образцов, изменение концентрации трещин которых приведено на рис. 3, расчеты дают величину удельной поверхностной энергии 102 Дж/м2; в поверхностно-активной среде это значение снижается до 59 Дж/м2.

Поскольку выбор эффективных ПАВ производился по величине контактной прочности пород Рк, была поставлена задача определения статистической взаимосвязи данного показателя с прочностными характеристиками пород. Корреляционный анализ по 60 литотипам эффузивных пород позволил установить уравнение связи:

[а] = к ехр (А РК). (4)

Для прочности при растяжении: к = 0,96 и А = 1,6-10"3; для прочности при сжатии: к = 22,7 и А = 0,910"3. Корреляционные отношения т] = 0,734 и 0,635 свидетельствует о статистической значимости (надежности) взаимосвязи, что позволяет косвенно еще на этапе выбора ПАВ оценить возможное разупрочнение горных пород.

Установленные закономерности воздействия ПАВ на свойства и состояния горных пород свидетельствуют об эффективности их использования в процессе бурения с точки зрения производительности процесса, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли. Для количественной оценки этих эффектов (при отсутствии работоспособных теоретических схем расчета) необходимо обоснование соответствующих критериев эффективности. Выполненный анализ показывает, что эффективность бурения обусловлена сложным взаимодействием и взаимообусловленностью комплекса свойств горных пород W и параметрами техники и техноло-

гаи процесса Р: Kv = P/W. Структура данного показателя априорно неизвестна, но для возможности использования его в качестве универсального критерия необходимо, чтобы входящие в формулу величины образовывали безразмерную комбинацию. Эффективным инструментом анализа в этом случае является теория размерностей, которая позволяет не только формализовать задачу, но и глубже понять физическую сущность процесса, выявляя соотношения между его параметрами. Для каждого конкретного способа разрушения критерий эффективности будет приобретать различный вид. Для обеспечения возможности сравнительной оценки эффективности разрушения пород в различных горно-геологических условиях и использования критериев как классификационных признаков предусмотрена процедура их нормирования путем приведения выражений к виду: К\ = In (<7, Кр), где qt — нормирующий множитель, обеспечивающий приведение величины критерия к единому интервалу изменчивости, например, от 0,1 до 10.

Анализ физики процесса применительно к ударно-поворотному (перфораторному) бурению позволил установить содержание критериев с точки зрения производительности:

кх =/, [ра\ Ef, v"3 р:\ *h°V6 (f cf\La9 ]; (5)

износа и затупления бурового инструмента:

к2 =/2 (V1.[°Г4. ß*6. (6)

выхода пьши:

Кг =/з («"', cf3, ра4,ора5, [а]а6, Vй7, k0°s). (7)

Здесь р - объемная масса горных пород; Еа - динамический модуль упругости; v - коэффициент Пуассона; Рк - контактная прочность; Z - абразивность; ор — прочность при растяжении; — коэффициент трения инструмента о породу; кк -коэффициент неоднородности пород; [о] - прочность материала бурового инструмента; ко - коэффициент качества промывочной жидкости; п и Q - частота и энергия ударов; dwL- диаметр и глубина шпуров.

На основе использования аппарата теории размерностей получены различные комбинации безразмерных соотношений. Обоснованное формирование структуры критериев эффективности, т. е. выбор адекватных безразмерных комбинаций и значений показателей степени а(г), определится результатами моделирования процесса.

Разрушение горных пород обусловлено зарождением и развитием трещин, их смыканием с образованием очагов нарушений - кластеров. Для изучения динамики данных процессов проведено моделирование развития трещинной структуры при нагружении горньгх пород. Основным инструментом анализа трещино-ватости является разработанный на кафедре шахтного строительства УГГУ метод люминесцентной дефектоскопии пород. Все нарушения в горной породе представляются набором точек (пикселей), координаты которых определяются разрешающей способностью микроскопа. Количественной мерой распределения дефектов в породе служит информационная (энтропийная) размерность dt. Для вычисления этой размерности используется метод покрытия, который заключается в нанесении на электронную копию образца нескольких сеток с переменным размером ячеек Г(. Для каждого типоразмера сетки определяется минимальное число ячеек, покрывающих фотокопию образца N(r,). Для каждой непустой ячейки оп-

ределяется вероятность попадания точек в ячейку: P;{r,) = mJM, где mj - число точек, попавших в у'-ю ячейку при размере сетки г,; М — общее число точек. Информационная размерность определится пределом: di = lim [/(r,)/ln (1/г,)], где I(r,) — информационная энтропия:

NM m 1 «(ii)

I(r,) = E--rlogPy(r,) = — 2 -m1 log Pfr). i-1 M M j-\

Поскольку для неоднородного распределения точек dt < d0, где d0 - геометрическая размерность, вычисленная без учета частоты попадания точек в ячейки сетки, то величину: kH = do / di можно использовать как меру неоднородности трещинной структуры горных пород; k„ - показатель, входящий в функцию критерия (5). Однако определение информационной энтропии связано с трудоемкими испытаниями в специально оснащенной лаборатории. Поэтому для прогнозной оценки коэффициента неоднородности пород предлагается соотношение

кИ = 1/3 (Ео/Елсф - 1), (8)

полученное путем сопоставления информационной размерности и отношения динамического модуля упругости Ео, определяемого ультразвуковым методом по скорости продольной упругой волны, и статического Еаеф, получаемого в деформационных испытаниях пород.

Для учета специфики динамического разрушения пород проведены эксперименты на ударном копре путем сбрасывания груза на образцы кубической формы и анализа гранулометрического состава продуктов дробления. Установлено, что распределение кусков разрушенной породы по размерам адекватно описывается уравнением Вейбулла. Обработка горных пород растворами ПАВ существенно улучшает качество их дробления. На рис. 4 представлены графики грансостава известняка, полученные при энергии удара 107 Дж и размере кубических образцов 2 см.

0-0.1 0,25-0,5 1-2

Фракции, см

1.8 1.0 1.* 1.7 1

0.8

O.fi 0.4 0,2 0

Г\

t \

/ \

/ Д —ч

/ ^ \ V

// X

(г 1

0.5 1 1.С

П«4">р|лация. мм

Рис. 4. Гранулометрический состав продуктов дробления известняка

Рис. 5. Результаты реализации математической модели бурения

Для данных пород использование ПАВ приводит к увеличению степени дробления в 4,97/3,62 = 1,37 раза и снижению удельной энергоемкости дробления в 1946/1262 = 1,54 раза. Это закономерно проявляется в изменении параметров распределения Вейбулла. Анализ показывает, что степень снижения энергоемкости дробления соответствует этой же величине для контактной прочности и мо-

дуля упругости горных пород, что позволяет использовать данные показатели для оценки эффективности ударного бурения.

Полученная информация позволила разработать математическую модель перфораторного бурения на основе современных представлений о механизме ударного разрушения пород под буровым инструментом (Л. А. Шрейнер, И. А. Остроушко, Ю. И. Протасов). На вход модели подаются изученные характеристики горных пород в исходном состоянии и обработанных раствором ПАВ. В результате реализации модели определяются параметры, и производится построение графика этапов деформации и разрушения породы под буровым инструментом (рис. 5) в единичном ударе. Здесь пунктиром показано поведение породы в растворе ПАВ.

Полученные результаты позволили сформулировать и реализовать методику статистического (имитацитонного) моделирования процесса. Многократные розыгрыши модели с учетом установленной вариации свойств горных пород и их изменения в поверхностно-активной среде позволяют получить статистические характеристики единичного акта разрушения пород ударом. С учетом частоты ударов конкретного перфоратора это дает возможность дать прогнозную оценку скорости бурения данной породы.

Для проверки достоверности полученных результатов выполнены эксперименты по определению буримости горных пород. Установлено, что подача под буровой инструмент растворов ПАВ повышает скорость бурения на 19 — 33 %. При этом отмечено, что степень износа инструмента при использовании ПАВ уменьшается в среднем на 67 % (по массе). Анализ результатов показал, что относительное увеличение скорости бурения в ПАВ 8 К линейно возрастает по мере заглубления инструмента. Это позволило оценить относительное изменение коэффициента трения инструмента о породу, входящего в функцию (6):

/тр(ПАВ)//тр(0) = (1 + 0,02 5У)Л. (9)

Обобщение и анализ полученных результатов позволили конкретизировать функции (5-7), т. е. определить формулы критериев эффективности с точки зрения:

- производительности процесса:

^ "в

г , I +

-;-

агРг

(10)

износа и затупления бурового инструмента:

м *

• выхода пыли:

Для проверки адекватности разработанных критериев эффективности выполнен анализ серии опытно-промышленных испытаний по бурению шпуров с промывкой растворами ПАВ в условиях Североуральских бокситовых рудников

(СУБР) и ШСУ №10 треста «Горловскуглестрой», проведенных коллективом кафедры шахтного строительства под руководством О. Г. Латышева. Обобщение данных по восьми забоям выработок, сооружаемых в порфиритах, известняках и песчаниках, показало, что использование в качестве промывочной жидкости специально подобранных растворов ПАВ повышает механическую скорость бурения шпуров в 1,25 - 1,52 раза. Полученный критерий эффективности (10) является адекватной оценкой скорости бурения (рис. 6). На графике отмечается четкая линейная зависимость:

К6=1,6Кб (13)

с коэффициентом корреляции г - 0,88. Коэффициент вариации Ктр опытных значений скорости бурения от полученных по уравнению (13) при значении нормирующего множителя д, = 10б составляет 25,7 %. Такая погрешность соответствует вариации свойств горных пород в единичных определениях, что позволяет использовать данный критерий в прогнозных целях.

Критерий | о Вода «ПАВ |

Рис. 6. Взаимосвязь скорости бурения шпуров и критерия эффективности

Установлено, что с ростом прочности пород эффективность использования поверхностно-активных веществ при бурении повышается.

Оценка износа коронок при шахтном бурении показала, что при бурении с ПАВ эта величина снижается с210до 151 мгна 1 м пробуренного шпура, т. е. в 1,4 раза. Отношение величины соответствующего критерия (11) при д,-= 1011: К„(пав/ Ки(о) = 4,23/3,02 = 1,40, что в точности соответствует полученному в шахтных экспериментах относительному снижению износа бурового инструмента. Это подтверждает работоспособность предложенной формулы данного критерия эффективности. В соответствии с известным соотношением (Ю. И. Протасов) полученное уменьшение износа увеличивает время пробега буровых коронок до их замены в ¿пав/?о = 1,44 = 3,8 раза.

Разупрочнение горных пород в ПАВ, а также снижение износа и затупления бурового инструмента обусловливают уменьшение выхода пыли при бурении. Измерения, проведенные сотрудниками лабораторий ВГСЧ в трех забоях шахт

СУБРа и Горловского региона Донбасса, показали, что запыленность шахтной атмосферы при бурении с промывкой растворами ПАВ снижается в 2,1 - 3,7 раза. Расчетные значения критерия (12) при q¡ = 108 соответствуют полученным результатам. Для полного совпадения прогнозных оценок с опытом определены значения коэффициента ко, характеризующего эффективность слипания мелких фракций в шпуре за счет действия ПАВ (эффективность подавления уже образовавшейся пыли). Их величина для разных пород находится в интервале от 1,1 до 2,0. Для экспрессной оценки величины ко можно использовать отношение модулей упругости исходных пород и обработанных раствором ПАВ - £(/£пав- Анализ экспериментальных данных показал, что ко = 0,76 ¿У^пав с коэффициентом корреляции г = 0,95. Однако следует отметить, что эти данные получены всего лишь по трем точкам, соответствующим числу шахтных экспериментов. Поэтому их следует воспринимать как приблизительные, нуждающиеся в дополнительных исследованиях.

Для оценки точности и надежности прогноза использована разработанная имитационная модель. На входе модели генерировалась естественная вариация свойств пород, входящих в критерии эффективности, на выходе — скорость бурения в данных горно-геологических условиях. Получено достаточно точное (с уровнем надежности 95 %) соответствие результатов моделирования (100 итераций) с опытом. Однако предлагаемые критерии эффективности включают достаточно большой комплекс свойств буримых пород. Их определение связано с большой трудоемкостью и требует наличия специально оснащенной лаборатории.

Для повышения оперативности прогноза проведены специальные исследования с использованием имитационной модели. В качестве критериального параметра взаимосвязей принята величина контактной прочности горных пород. Выбор именно этого показателя обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, мы его неизбежно определяем в процедуре выбора эффективных для данных горногеологических условий раствора ПАВ. Во-вторых, он достаточно просто может быть определен в забойных условиях приборами типа МГД. В частности, применительно к критерию эффективности (10) общий вид уравнения может быть представлен в виде:

с^еЦ^у-лр,). <,4,

Корреляционный анализ взаимосвязи дает уравнение:

<7=18-103/>Д (15)

при вариации параметров уравнения: а = (17 — 19)-103 и п = 1,9 — 2,1. Точность зависимости характеризуется коэффициентом вариации 13,2 %.

Таким образом, комплекс выполненных исследований позволяет осуществлять надежный прогноз эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами.

Повышение механической скорости бурения за счет использования в качестве промывочной жидкости специально подобранных растворов ПАВ позволяет сократить продолжительность бурения комплекта шпуров при проходке выработок. С учетом требования кратности продолжительности цикла рабочей смене это

дает возможность увеличить глубину шпуров. Это неизбежно повлечет за собой изменение других процессов проходческого цикла: заряжания и взрывания, уборки взорванной породы, крепления и пр. Для решения этой задачи использована компьютерная оптимизационная модель проектирования цикличной организации работ, адаптированной к проходке горизонтальной выработки. Ее реализация для условий проходки вскрывающего квершлага СУБРа показала, что бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ позволяет в 1,17 раза увеличить скорость проходки, что обуславливает сокращение затрат на строительство выработки на 20 %.

Таким образом, бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ обеспечивает существенное повышение производительности процесса, стойкости бурового инструмента, уменьшение выхода пыли, что позволяет увеличить скорость проходки и снизить затраты на строительство горных выработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в результате теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научно-практической задачи прогноза эффективности использования поверхностно-активных веществ при бурении шпуров на основе моделирования процесса, имеющее существенное значение для оптимизации технологии проходки горных выработок.

При достижении поставленной цели и решении задач диссертационного исследования автором получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработана методика выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, базирующаяся на определении статистических и фрактальных характеристик временных рядов контактной прочности горных пород.

2. Установлены закономерности развития трещинной структуры и изменения комплекса свойств горных пород под действием поверхностно-активной среды. Дана новая интерпретация критериев прочности Гриффитса, учитывающая реальную геометрию трещин по их фрактальной размерности. Разработана методика прогноза изменения прочности и упругости пород под действием ПАВ, позволяющая получать оперативную информацию для проектирования процесса бурения горных пород.

3. На основе аналитических исследований и моделирования разработана математическая модель процесса ударного бурения, учитывающая разупрочняющее и пластифицирующее действие поверхностно-активных веществ на разрабатываемые горные породы. Модель процесса дает количественную оценку различных стадий внедрения инструмента в горную породу и позволяет обоснованно выбирать эффективный раствор ПАВ в его оптимальной концентрации для данных горно-геологических условий.

4. На основе комплексного анализа взаимодействия и взаимообусловленности свойств разрабатываемых пород и параметров техники и технологии процесса методами теории размерностей сформированы критерии эффективности процесса бурения с точки зрения его производительности, износа и затупления бурового инструмента, выхода пыли.

5. Для учета природной изменчивости свойств горных пород, формирующих критерий эффективности бурения, разработана имитационная модель (метод Монте-Карло), реализация которой подтвердила достоверность предложенной модели прогноза буримости горных пород. Установленная взаимосвязь комплексного показателя свойств с величиной контактной прочности пород позволяет оперативно оценивать величину критерия эффективности и прогнозировать скорость бурения шпуров в данных горно-геологических условиях по стандартной технологии и с промывкой растворами ПАВ.

6. Использование в качестве промывочных жидкостей растворов ПАВ приводит к увеличению скорости бурения в 1,2 - 1,5 раза; уменьшению в 1,2 - 1,4 раза износа и затупления бурового инструмента; снижению в 1,6 — 3,7 раза выхода пыли. Сопоставление полученных результатов с данными моделирования процесса показывает работоспособность и адекватность предлагаемых количественных оценок.

7. Разработана компьютерная оптимизационная модель технологии проходки горных выработок, учитывающая интенсификацию процесса бурения при использовании ПАВ. Реализация модели показывает, что бурение шпуров с промывкой растворами ПАВ не только повышает скорость бурения, но положительно сказывается на эффективности других процессов проходческого цикла. Расчет, произведенный для реальных условий проходки вскрывающего квершлага СУБРа, показал, что использование ПАВ позволяет повысить скорость проходки в 1,17 раза, что дает снижение затрат на строительство выработки в среднем на 20 %.

8. Разработанные рекомендации и методики переданы для использования в организациях: Институте горного дела УрО РАН, ОАО «Уралгипротранс», ООО «Унипромедь». Полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы при подготовке учебников по дисциплинам: «Физика горных пород», «Моделирование физических процессов в горном деле», регламентируемым Федеральными государственными образовательными стандартами (ФГОС-3), а также при проведении занятий по данным курсам, в которых автор принимает непосредственное участие.

Опубликованные работы по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Латышев О. Г., Карасёв К. А., Еремизин А. Н. Выбор критерия эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах разрушения горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. —2011. —№3. —С. 113-119.

2. Изменение фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород в поверхностно-активной среде / Латышев О.Г., Осипов И. С., Еремизин А. Н., Карасёв К. А. II Изв. вузов. Горный журнал. —2011. — №6. —С. 113-117.

3. Активизация процессов зарождения и развития трещин в поверхностно-активной среде при разработке пород невзрывчатыми разрушающими составами / Латышев О.Г., Осипов И. С., Еремизин А. Н., Карасёв К. АЛ Изв. вузов. Горный журнал.-2012.-№ 1.-С. 115-118.

4. Латышев О. Г., Мартюшов К. С, Карасёв К. А. Использование данных акустического каротажа для прогноза свойств и состояния породного массива // Изв. вузов. Горный журнал. —2012. -№ 8. -С. 42-46.

5. Латышев О. Г., Карасёв К. А., Мартюшов К. С. Фрактальный тренд-анализ изменчивости временных и пространственных рядов свойств пород и массивов // Изв. вузов. Горный журнал. —2013. -№ 2. -С. 73-79.

6. Латышев О. Г., Карасёв К. А., Мартюшов К. С. Способы имитационного моделирования изменчивости свойств горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. - 2013. -№ 3. - С. 82-89.

7. Латышев О. Г., Карасёв К. А. Математическая модель ударного бурения горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. —2014. -№ 3. -С. 48-54.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

8. Соколов В. В., Карасёв К. А., Каипов Р. Г. Использование паспортов прочности для оценки нарушенности горных пород // Известия УГГУ. Материалы Уральской горнопромышленной декады 10-14 апреля 2008 г., г. Екатеринбург. —Екатеринбург, 2008. —С. 112-113.

9. Сынбулатов В. В., Соколов В. В., Карасёв К. А. Прогнозирование влияния горного давления на свойство и состояние горных пород И ИГД УрО РАН . III Всероссийская молодежная научно-практическая конференция, 10-13 февраля 2009 г. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2009. -С. 364-369.

10. Азанов М. А., Карасёв К. А. Перспективы использования поверхностно-активных сред для борьбы с пылеобразованием при взрывании горных пород // Труды Ш Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», 19-21 мая 2010 г.-Екатеринбург: УГГУ, 2010.-С. 152-153.

11. Прогноз буримости горных пород Юбилейного медно-колчеданного месторождения / Анохина О. О., Карасёв К. А., Мартюшов К. С., Непомнящих К. К. И Труды III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», 19-21 мая 2010 г. — Екатеринбург: УГГУ, 2010. -С. 154-156.

12. Соколов В. В., Карасёв К. А., Мартюшов К. С. Прогнозирование прочностных и упругих свойств трещиноватых породных массивов // Уральская горнопромышленная декада. Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов, 4-13 апреля 2011 г.—Екатеринбург; УГГУ, 2011.-С. 208-209.

13. Карасёв К. А., Еремизин А. Н., Осипов И. С. Программное обеспечение исследований фрактальных характеристик трещинной структуры горных пород // Уральская горнопромышленная декада. Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов, 16 — 25 апреля 2012 г. — Екатеринбург: УГГУ, 2012. —С. 227-228.

14. Карасёв К. А. Имитационное моделирование процесса ударного бурения горных пород // Труды IV Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», 21-22 мая 2013 г. -Екатеринбург: УГГУ, 2013. -С. 140-144. ■

15. Латышев О. Г., Карасев К. А., Казак О. О. Использование поверхностно-активных веществ в процессах буровзрывных работ при разработке месторождений природного// Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. / под ред. Г. Д. Першина. Вып. 14. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2014. -С. 198-204.

Подписано в печать 08.08. 2014 г. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная Печать на ризографе.

Гарнитура Times New Roman Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 30

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО «УГГУ». 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Издательство УГГУ