Эффективность резания горных пород струями воды высокого давления с добавками полиакриламида

В.Г. Мерзляков, проф., докт. техн. наук (Генеральный директор ООО «МОГОРМАШ»), В.Е.Бафталовский, к.т.н, зав. лабораторией, Б.А.Черных, аспирант (ННЦ ГП- ИГД им. А.А. Скочинского)

Рассмотрены основные преимущества использования малых полимерных добавок в струях воды давлением до 50 МПа с насадками диаметром 1,0...1,9 мм при гидравлическом разрушении горных пород. Приведены количественные оценки влияния применения малых полимерных добавок на эффективность гидравлических и технологических характеристик водяных струй высокого давления при разрушения горных пород по щелевой схеме.

В настоящее время возможности совершенствования струеформирующих устройств с целью повышения компактности водяных струй практически исчерпаны. Дальнейшее увеличение разрушающей способности водяных струй может быть достигнуто за счет введения в рабочую жидкость добавок вязкоупругих полимеров, например полиакриламида (ПАА) с молекулярной массой (1 ...4)×10⁶.

Выполненные исследования показали, что использование малых добавок полиакриламида в струях высокого давления позволяет на 22...25% увеличить глубину щелей, прорезаемых в образцах углей различных марок с f= 0,6...3,6 [ ]. Отмечается, что указанный эффект был получен за счет способности полимерных добавок снижать уровень турбулентных возмущений в потоке жидкости и тем самым улучшать динамические характеристики струи в зоне контакта с разрушаемым материалом.

Стендовая база и методика выполнения исследований

Повышение эффективности гидравлического разрушения горных пород по щелевой схеме имеет большое значение при создании горных породоразрушающих машин нового технического уровня. С использованием опыта использования полимерных добавок при гидравлическом разрушении угля различных марок, нами были выполнены комплексные экспериментальные исследования по резанию горных пород высокоскоростными струями воды и слабых растворов высокополимеров.

Схема стенда для проведения исследований представлена на рис. 1.

Для генерирования водяных струй высокого давления стенд был оснащен плунжерным насосом 35Н-14 с расходом 9 м³/ч на давление воды до p₀= 50 МПа. С учетом возможностей насосного оборудования и задач исследований в качестве разрушаемого материала был принят известняк, являющейся типичным представителем горных пород малой и средней прочности и имеющий широкое распространение на территории РФ.

Образцы известняка были взяты с Тяженского карьера. Рабочие поверхности образцов были выровнены на строгальном станке. Диапазоны изменения прочностных свойств отобранных образцов составили = 10,3-32,6 МПа и sр= 2,1-4,1 МПа, что позволило получить надежные оценки влияния физико-механических свойств горной породы на эффективность гидравлического резания с использованием малых полимерных добавок в струях воды высокого давления.

1- бак- смеситель исходного раствора ПАА, 2- насос, 3- питающая емкость, 4- заливочный водовод, 5- насос высокого давления, 6- дроссель, 7- манометр, 8- струеформирующее устройство, 9- образец разрушаемой горной породы, 10- гидравлическая каретка для перемещения образцов

Из теории и практики гидравлического разрушения угля и горных пород известно, что в наиболее общем виде зависимость глубины прорезаемой щели h от основных влияющих факторов может быть описана уравнением

(2)

где p_о - давление жидкости перед насадкой, МПа; d_o - диаметр насадки, мм; l₀ - расстояние от насадки до образца, мм; v_п -скорость перемещения струи по образцу, м/с; f - коэффициент крепости угля по Протодьяконову; N - число проходов струи по щели.





, % (1)

h_в –глубина щели прорезанная водой, мм;
h_п –глубина щели, прорезанная струей водного раствора ПАА, мм
А –показатель эффективности использования полимерного раствора, %.

Кроме этого показателя при анализе экспериментальных данных использовалась величина.

Последовательность операций при выполнении исследований была следующей.

В баке смесителе (1) ёмкостью 200 л производилось приготовление раствора ПАА предварительной концентрации С1. С учетом ранее выполненных исследований концентрация первичного раствора ПАА была принята С1= 0,027% [ ]. Первичный раствор ручным насосом (2) подавался в питающую ёмкость (3) объемом 1 м³ и производилось его тщательное перемешивание. Блок известняка устанавливался на гидравлической каретке (10) и выполнялось нарезание щелей с параметрами предусмотренными матрицей исследований (табл. 1).

Шаг между щелями составлял 15-20 мм, что исключало возможность ослабления материала образца при последующих резах. Значение глубины щели получалось осреднением 20-25 замеров произведенных с шагом 10 мм по длине щели. Эксперименты дублировались на противоположных поверхностях образцов, что позволяло свести к минимуму погрешности вносимые в результаты экспериментов вариацией прочностных свойств.

Результаты экспериментальных исследований

Первая серия опытов была выполнена в соответствии с матрицей эксперимента для получения корреляционной зависимости h= f(l₀) при использовании струеформирующих насадок диаметром d₀= 1,0 мм; d₀= 1,3 мм и d₀= 1,9 мм. Результаты экспериментов со струеформирующей насадкой d₀= 1,9 мм представлены на рис. 2.

Оценивая результаты этой серии экспериментов по величине показателя А, можно сделать вывод, что на всех изученных расстояниях l₀= 10-130 мм величина показателя эффективности А колебалась не очень существенно, что подтверждается изменением коэффициентов корреляции линейных зависимостей на рис. 2 и рис. 3 в пределах R= 0,76-0,96.

Общее среднее значение показателя эффективности для всех проведенных экспериментов без учета крайних значений составило = 24%.

d₀= 1,9 мм; p₀= 45 МПа; v_п= 0,1 м/c; = 23,6 МПа;

При этом средние значения показателя эффективности разрушения известняка при использовании насадок с d₀= 1,0 мм; d₀= 1,3 мм и d₀= 1,9 мм составили соответственно А=33,0%; А=22,3% и А= 21,5%.

Физическая сущность полученного эффекта объясняется существенным увеличением длины начального участка струй воды с добавкой ПАА по сравнению со струями обычной воды при прочих равных условиях. Так в работе [ ] длину начального участка предлагается определять из соотношения:

Сопоставляя значения для всех l₀= Const, нетрудно заметить, что с уменьшением диаметра насадки устойчиво возрастают значения D, а следовательно увеличивается разница между значениями осевых динамических давлений водяной струи и струи с добавкой ПАА в области их контакта с разрушаемым массивом [ ].

Выполненные с использованием зависимости (2) расчеты показывают, что при прочих равных условиях, показатель эффективности разрушения горных пород струями воды с добавкой ПАА имеет тенденцию к возрастанию при уменьшении диаметра насадки.

Эксперименты по исследованию влияния давления перед насадкой на эффективность использования струй с добавками ПАА для разрушения горных пород по щелевой схеме были проведены с насадками d₀= 1,0 мм и d₀= 1,3 мм на блоке известняка с = 14,6 МПа. Объем эксперимента составил 32 щели с исходными параметрами представленными в табл.1 для получения корреляционной зависимости h= f1(p_o). Результаты экспериментов с использованием струеформирующей насадки диаметром d₀= 1,3 мм представлены в виде графиков на рис. 3.

Результаты совместного анализа показателей эффективности использования полимерных добавок при резании известняка с использованием струеформирующих насадок с d₀=1мм и d₀= 1,3 мм представлены в табл. 2.

Из табл. 3 следует, что увеличение давления рабочей жидкости перед насадкой способствует увеличению показателя эффективности использования раствора полиакриламида при гидравлическом резании горных пород. Физический смысл этого эффекта можно объяснить тем, что с увеличением исходного давления воды увеличивается интенсивность проявления турбулентных возмущений в водяной струе, приводящих к увеличению ее диаметра и снижению динамических давлений в сечении струи. При этом возрастает роль полимерных добавок как эффективного средства гашения поперечных пульсаций и вихрей за счет создания в теле водяной струи достаточно протяженных полимерных структур.

Практический интерес представляет также сделанный на основании анализа экспериментальных данных (см. рис. 3) вывод, что для достижения заданной глубины щели h=const давление рабочей жидкости с использованием добавок полиакриламида может быть снижено на 4-8 МПа по сравнению с необходимым давлением обычной водяной струи.

Скорость перемещения струи относительно поверхности разрушаемого материала vп является одним из важнейших технологических параметров при гидравлическом разрушении угля и горных пород.

Эксперименты по установлению влияния скорости перемещения струи на показатель эффективности использования водного раствора ПАА в качестве рабочей жидкости были проведены на двух блоках известняка с = 18 МПа и = 17,5 МПа. Объем эксперимента составил 30 щелей, нарезанных с использованием струеформирующих насадок с d₀= 1мм и d₀= 1,9 мм при скоростях перемещения струи v_п=0,2-1 м/с.

Результаты экспериментов с использованием струеформирующей насадки d₀=1,0 мм приведены на рис. 4.


d₀= 1,0 мм; l₀= 130 мм; p₀= 45МПа; = 17,5-18 МПа

Рисунок 4. Влияние скорости перемещения струи на глубину щели, прорезаемой в известняке.

Полученные данные показали, что при увеличении скорости перемещения струи величина показателя эффективности А возрастает, в то время как величина снижается или сохраняется на постоянном уровне.

Наиболее значительное увеличение показателя А наблюдалось, как и следовало ожидать, при использовании насадки с d₀= 1,0 мм (см.рис. 4) на максимальном расстоянии от насадки l₀= 130 мм. Величина показателя эффективности при этом составила А=71%.

Необходимо отметить, что значения при использовании насадки с d₀= 1,9 мм в среднем превосходят аналогичные значения при использовании насадки с d₀= 1,0 мм, однако сопоставление величин показателя эффективности А приводит к обратному результату.

Кажущееся противоречие этих оценок устраняется если принять во внимание, что использование полимерных добавок позволяет увеличить диаметр сечения струи в котором динамические давления p_x > p_кр (где p_кр-критическое давление для разрушения данного материала).

В этом случае естественно, что чем больше диаметр насадки, тем больше абсолютное значение увеличение эффективного сечения струи при резании полимерным раствором. Поэтому при использовании насадки с d₀= 1,9 мм больше, чем при использовании насадки с d₀= 1,0 мм.

Одним из возможных технологических режимов работы исполнительных органов горных машин с гидравлическими или гидромеханическими исполнительными органами оснащенными тонкими струями воды высокого давления, является режим с многократным повторением проходов струи по щели с целью достижения определенной глубины щели в соответствующей принятой схеме разрушения забоя.

Рисунок 5. Зависимость глубины резания известняка струями воды и раствора ПАА от числа проходов струи по щели.

Исследования эффективности использования водного раствора полиакриламида при многократных проходах струи по щели были проведены на двух блоках известняка с = 17,2МПа и = 13,5 МПа. Результаты этих опытов представлены на рис. 5.

С учетом ранее полученных результатов, для насадки меньшего диаметра была принята большая скорость перемещения струи. Объем исследований составил 24 щели, прорезанные в известняке струями чистой воды и струями полимерного раствора.

Анализ результатов этих исследований показал, что тенденция увеличения показателя эффективности А сохраняется до n=2. При увеличении числа проходов струи по щели до n=4 значение показателя эффективности во всех без исключения опытах уменьшилось. Следует обратить внимание на то, что величина сохранила тенденцию к увеличению и при n=4, что подтверждает ранее обсуждавшиеся выводы о природе воздействия полимерных добавок на компактность водяных струй.

Кроме того необходимо обратить внимание на то, что значения , полученные при использовании насадки с d₀= 1,3 мм, были значительно больше значений этого показателя при использовании насадки с d₀= 1,0 мм. На наш взгляд, это объясняется не только различием диаметров струеформирующих насадок, но также разницей значений скоростей перемещения указанных струй и прочности разрушаемых блоков.

Значительный объем экспериментов, выполненных при постоянных значениях основных факторов, определяющих эффективность гидравлического разрушения горных пород по щелевой схеме (p₀, v_п и n), позволил сгруппировать полученные данные с целью анализа влияния прочностных свойств горной породы, в качестве которых приняты и , на эффективность резания горных пород струями полимерного раствора в зависимости от диаметра струеформирующей насадки и расстояния до разрушаемого образца. С этой целью были использованы результаты 80 опытов при изменении sсж в пределах 12,8-32,6 МПа. Анализ статистических характеристик n_i и W_i, оценивающих представительность различных значений и при анализе влияния этих показателей на эффективность разрушения известняка струями воды с малыми добавками ПАА, показал, что значения оставались в пределах 2,7±0,2 МПа для всей совокупности рассмотренных экспериментальных данных. Представительность интервалов изменения sсж известняка была значительно выше, что позволяет использовать этот показатель прочности горных пород как фактор влияющий на эффективность резания горных пород струями воды с добавками полиакриламида.

В качестве примера, на рис. 6 представлены графики зависимости глубины разрушения известняка струями воды и полимерного раствора от , полученные при использовании насадки с d₀= 1,9 мм для расстоянии до разрушаемого образца l₀= 130 мм.

Аналогичные данные были проанализированы для расстояний от насадки l₀= 10 мм и l₀= 40 мм.

Установлено, что, несмотря на значительный разброс экспериментальных данных (R=0,58-0,83), для всех расстояний прослеживается четкая линейная зависимость глубины разрушения от известняка.

С целью оценки наиболее стабильного значения показателя эффективности резания известняка струями полимерного раствора с учетом всего разнообразия исходных гидравлических и технологических параметров, предусмотренных матрицей эксперимента, был выполнен статистический частотный анализ показателей эффективности А с шагом h=12, результаты которого представлены в табл.3.

где n_i- частота значений А в интервале h; W_i - относительная частота; - плотность частоты показателя эффективности А в процентах.

Отбрасывая, малопредставительные значения А больше или равно 36 (табл. 4) можно сделать вывод, что для всего объема проанализированных экспериментальных данных среднее значения показателя эффективности разрушения известняка струями воды высокого давления с малыми добавками ПАА составило величину А= 27,7%.

Основные выводы

1. Эффективность применения малых полимерных добавок в струях воды высокого давления при разрушении горных пород может быть объяснена улучшением их динамических и структурных характеристик, влияющих на интенсивность резания горных пород по щелевой схеме.

2. Возможность увеличения скорости перемещения водяных струй с малыми добавками полиакриламида при нарезании зарубной щели заданной глубины, позволяет достигнуть увеличения ее боковой площади, нарезаемой в единицу времени, а следовательно снизить энергоемкость гидравлического разрушения горных пород по щелевой схеме.

3. При гидромеханическом разрушении горных пород наибольшая эффективность использования малых добавок ПАА в струях воды высокого давления может быть получена при разрушении крепких абразивных горных пород. Указанный эффект может быть достигнут за счет использования насадок малых диаметров и высоких значений давления рабочей жидкости перед насадкой.

4. Для достижения заданной глубины щели при гидравлическом разрушении горных пород, исходное давление рабочей жидкости с использованием добавок полиакриламида должно быть снижено на 4-8 МПа по сравнению с исходным давлением водяной струи.