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

• Автор: Карасёв, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 25.00.22
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 156 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ (современное состояние исследований)
1.1. Физические основы механического бурения горных пород
1.2. Фрактальные характеристики трещин
1.3. Физико-химические основы действия поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера)
1.4. Опыт использования поверхностно-активных веществ в процессах горного производства
1.5. Основные направления исследований по использованию ПАВ при бурении горных пород
1.6. Цель и задачи исследований
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
2.1. Изучаемые горные породы и методы исследований
2.2. Выбор поверхностно-активной среды
2.2.1. Общие принципы выбора поверхностно-активной среды
2.2.2. Определение контактной прочности горных пород как критерия выбора ПАВ
2.2.3. Статистический анализ временной функции контактной прочности горных пород
2.2.4. Фрактальный анализ временных рядов контактной прочности
2.3. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещиноватости горных пород
2.3.1. Методика изучения трещиноватости горных пород
2.3.2. Экспериментальные исследования трещинной структуры горных пород
2.3.3. Определение фрактальных характеристик трещиноваюсти горных пород
2.3.4. Оценка влияния поверхностно-активных веществ на развитие трещинной структуры горных пород
2.4. Упругие и пластические свойства горных пород
2.5. Прочностные характеристики горных пород
2.6. Прогнозирование изменения свойств и состояния горных пород под действием ПАВ
ВЫВОДЫ
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
3.1. Обоснование критериев эффективности процесса бурения
3.1.1. Общие принципы формирования критериев эффективности
3.1.2. Производительность бурения горных пород
3.1.3. Критерии износа и затупления бурового инструмента
3.1.4. Критерии пылеобразование при бурении
3.1.5. Оценка коэффициента неоднородности горных пород
3.2. Исследование дробления горных пород ударом
3.3. Лабораторные исследования процесса бурения
3.4. Моделирование износа бурового инструмента
3.5. Математическая модель ударного бурения
3.5.1. Общая оценка буримости горных пород с промывкой растворами ПАВ
3.5.2. Формирование модели
3.5.3. Реализация модели и анализ результатов
ВЫВОДЫ
4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ
4.1. Организация опытно-промышленных испытаний
4.2. Исследование механической скорости бурения

4.3. Оценка износа и затупления бурового инструмента
4.4. Оценка запыленности шахтной атмосферы
4.5. Прогноз буримости горных пород на основе имитационного моделирования
4.6. Элементы технологии и экологические аспекты применения ПАВ в процессе бурения
4.7. Математическая модель оптимизации параметров проходческого цикла при использовании ПАВ
4.7.1. Аналитическая модель процесса бурения шпуров
4.7.2. Аналитическая модель процесса уборки породы
4.7.3. Взаимосвязь параметров проходческих процессов (компоновка модели)
4.7.4. Реализация модели
4.7.5. Экономическая оценка технологии проходки
4.8. Использование результатов работы
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ
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 (ПЛВ). 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-акгивных 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.

свойств горных пород. Эти явления определяют законо1мерности разрушения пород буровым инструментом и нуждаются в исследовании.
В отсутствие работоспособных теоретических методов расчета параметров процесса бурения основным способом являются экспериментальные исследования. Наиболее адекватную информацию дает моделирование различных сторон этого процесса. Теоретическим осмыслением его результатов может стать разработка математических моделей процесса.
Для успешного использования поверхностно-активных веществ в горной технологии необходима разработка критериев эффективности, учитывающие различные стороны процесса бурения: его производительность, износ и затупление бурового инструмента, образование и выход пыли. Разработка таких критериев возможна на основе использования теории размерностей, применительно к свойствам пород и технологическим параметрам процесса.
Структура и формулы критериев эффективности необходимо сопоставлять с результатами исследований реального бурения в производственных условиях. В качестве итога исследований предусматривается обоснование комплексной методики прогноза эффективности бурения в условиях направленного изменения свойств горных пород поверхностно-активными веществами.
Таким образом, целью данной работы является разработка методов прогноза эффективности использования ПАВ в процессе бурения на основе моделирования.
Для реализации данной цели требуется решение следующих задач:
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 процессах буровзрывных работ при проходке выработок.