Особенности бестраншейной прокладки водовода и канализации при изменениях коэффициента заполнения шнека и влажности продуктов разрушения

В процессе реализации практических работ по обеспечению водоснабжением и водоотведением шахты «Романовская-1» (Кузбасс) специалистами кафедры горных машин и комплексов КузГТУ решен ряд научно-технических задач, имеющих важное значение для совершенствования существующей и создания новой бурошнековой техники. В частности, установлено, что режимные параметры процесса бурения существенно зависят от характеристик буримого массива, и при увеличении влажности продуктов разрушения до определенного уровня ухудшаются параметры режима бурения с вероятностью залипания бурового инструмента.

ООО «Горняк» (шахта «Романовская-1») находится в северной части Кемеровского геологического района Кузбасского бассейна, в 6 км от города Березовский и разрабатывает пласт «Абрамовский». Шахта была введена в строй в 2007 году. Принятая проектная мощность шахты составляет 900-1100 тыс. т угля в год при одновременной работе одного очистного забоя.

«Романовская-1» - одно из самых современных угольных предприятий. Шахта оснащена системой контроля аэрогазовой защиты и современным горнодобывающим оборудованием. Разведанных запасов коксующегося угля на участке 15 млн. тонн, этого хватит при нынешних планах компании на 16 лет работы. За счет высокой степени механизации и автоматизации производственных процессов производительность труда рабочих в 1,2 раза превышает среднюю по Кузбассу.

Топографическое положение промплощадки шахты предполагает сложности водоснабжения. Кроме того, доставка людей к спуску осуществляется автомобильным транспортом от административно-бытового комбината (АБК), находящегося на территории центральной обогатительной фабрики «Березовская», которая имеет собственную напряженную инфраструктуру. На трудности водоснабжения и водоотведения АБК наложились просчеты проекта здания и увязки его с системами водоснабжения и канализации. Единственным решением было проведение коммуникаций бестраншейным способом, для чего использовалась бурошнековая установка, разработанная на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета.

Бурение горизонтальной скважины под водовод на промплощадку осуществлялась в зимнее время года. Схема и условия бурения представлены на рис. 1 и рис. 2. Работы производились на глубине 2,5 м по глине и искусственной насыпи. Длина скважины составила 23 м. Трасса проходила под железнодорожным полотном и прилегающими насаждениями.

Подключение здания АБК к сетям водоотведения осложнялось тем, что трасса канализации проходила через загруженную технологическую дорогу, прекращение движения по которой означало бы остановку двух крупных горных предприятий. Бурение этой скважины осуществлялось в летнее время. Породы представляли собой перемежающийся массив из глины и твердых включений, состоящих из отходов обогатительного производства и гравия. Длина скважины составила 26 м. Схема бурения представлена на рис. 3.

Для изучения характера изменения крутящего момента, затрачиваемого на транспортирование, в зависимости от изменения заполнения шнека и влажности продуктов разрушения был произведен эксперимент и расчет значений момента МТР.

Как видно из графиков, представленных на рис. 4 (а), зависимость момента трения от коэффициента заполнения шнека носит линейный характер при всех значениях влажности.

Рис.4. Зависимость крутящего момента на транспортирование, а – от коэффициента заполнения шнекового става; б – от влажности продуктов бурения.

С увеличением коэффициента заполнения шнекового става растет момент сопротивления. Интенсивность роста момента при различных значениях влажности неодинакова. Наибольший рост момента сопротивления при увеличении заполнения шнека наблюдается при влажности W = 30%. Как при меньших, так и при больших значениях влажности интенсивность роста крутящего момента снижается. Снижение влажности по сравнению с неблагоприятной (W = 30%) на 20% приводит к уменьшению момента на 15%, а при таком же увеличении влажности момент трения уменьшается почти в 10 раз. Увеличение влажности выше W = 50% не приводит к существенному снижению момента сопротивления вращению шнека.

Графики зависимости момента сопротивления вращению шнека от влажности при различных значениях коэффициента заполнения шнека приведены на рис. 4,б. Из графиков видно, что увеличение влажности продуктов бурения до 20-30% влечет за собой различное по интенсивности, в зависимости от величины коэффициента заполнения шнековой спирали, увеличение момента сопротивления. При большем заполнении шнека интенсивность роста меньше. При влажности 25-30% при любом заполнении имеет место максимум функции. Эта влажность с энергетической точки зрения является наиболее благоприятной. Максимум момента при этой влажности обусловлен существенным проявлением липкости увлажненных продуктов бурения, с одной стороны, и недостаточной текучестью их, т.е. довольно большим коэффициентом внутреннего трения, с другой.

Начиная с влажности 30%, происходит снижение величины момента сопротивления, причем при больших значениях коэффициента заполнения это снижение происходит более резко. Начиная с влажности 45%, а особенно при W = 50%, значения момента влажности более 50% не приводит к существенному снижению момента сопротивления. Резкое снижение момента после 30% объясняется снижением сначала коэффициента внутреннего трения из-за разжижения смеси, а затем при 45- 50% - переходом в режим жидкостного трения.

Наиболее неблагоприятной с энергетической точки зрения является влажность продуктов бурения W = 25-30%. При большей и меньшей влажности момент сопротивления при прочих равных условиях ниже. Увеличение влажности продуктов бурения от 30 до 50% позволяет снизить затраты энергии на транспортирование почти в 10 раз, в то время как такое же ее снижение уменьшает момент лишь на 15%.

Режимные параметры процесса бурения существенно зависят от характеристик буримого массива. Особенно наглядно это видно на примере бурения скважин в перемежающихся массивах, свойства которых изменяются по длине скважины (рис.5). Возрастание влажности глинистого массива с 10-15% до 25-30% приводит к увеличению градиента нарастания мощности с 0,3 до 0,95 кВт/м, градиента нарастания осевого усилия с 0,5 до 1 кН/м.

При появлении в сечении скважины твердых включений мощность на вращение резко возросла, а скорость бурения упала. Это объясняется тем, что твердые частицы, транспортируемые шнеком, очищали его поверхность и внутреннюю поверхность обсадной трубы от налипшей глины. После полной очистки бурового става и обсадной трубы от глины потребляемая мощность на вращение бурового инструмента снизилась до 8-11 кВт, и дальнейшее бурение слоя происходило со скоростью 0,4-0,7 м/мин. Результаты промышленного бурения подтвердили полученный лабораторными исследованиями вывод о том, что увеличение влажности продуктов разрушения с 10 до 28-30% ухудшает параметры режима бурения (градиент нарастания мощности возрос в 3,18 раз с повышением вероятности залипания бурового инструмента).

При прокладке скважин в условиях шахты «Романовская-1» исследовалась также возможность использования в опорно-якорном и опорно-центрирующих опорных узлах шнекового става подшипников качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ), обладающих повышенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками. Применение подшипников данного типа в вышеназванных узлах повышает эффективность транспортирования выбуриваемых продуктов шнековым ставом.

По мере наработки ресурса T исследовалось влияние влажности транспортируемой среды W и коэффициента заполнения шнековой спирали на величину максимального преодолеваемого приводом момента трения подшипникового узла Mmax, контролируемого с помощью комплекса тензоизмерительной аппаратуры.

Результаты статистической оценки экспериментов дали основание предположить наличие более сложных, нежели линейные, функциональных связей. Кроме того, множественность варьируемых факторов линейной модели неэффективна для инженерной оценки процесса. Анализ алгебраических свойств элементарных функций позволил предположить, что для представления регрессионных зависимостей в данном случае предпочтительны полиномы 4-й степени. Значимость коэффициентов нелинейной регрессии доказана с помощью t - критерия Стьюдента, адекватность моделей - с помощью F - критерия Фишера.

Результаты эксперимента показывают (рис. 6), что Mmax по мере наработки ресурса возрастал, но имел тенденцию к стабилизации при относительно небольших величинах. При этом меньшие значения наблюдались при W, близкой к нулю, что объясняется затрудненностью проникновения неувлажненных продуктов бурения во фрикционную зону подшипника. При W, увеличивающейся до 40-50%, визуально наблюдалось сквозное проникновение продуктов бурения, увлажненных до состояния текучести, через подшипниковый узел, причем величина Wmax значительно снижалась.

Таким образом:
- определен характер изменения крутящего момента МТР, затрачиваемого на транспортирование, в зависимости от изменения коэффициента заполнения шнека и влажности W продуктов разрушения и выявлены наиболее благоприятные с точки зрения минимизации энергозатрат диапазоны влажности и коэффициента заполнения;
- установлено, что режимные параметры процесса бурения существенно зависят от характеристик буримого массива, и при увеличении влажности продуктов разрушения с 10 до 28-30% ухудшаются параметры режима бурения с вероятностью залипания бурового инструмента;
- экспериментально подтверждена целесообразность использования в опорно-якорном и опорно-центрирующих опорных узлах шнекового става подшипников качения с твердосмазочным антифрикционным заполнителем (АФЗ), обладающих повышенными ресурсными, самосмазывающими и самогерметизирующими характеристиками.

Литература:
1. Романовская-1 [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.koks- group.ru/ourbusiness/ geography/ kemer/ romanovskaya/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Маметьев Л.Е. Конструктивные схемы бурошнековых машин и оборудования на базе серийных узлов и механизмов горных машин/ Л.Е. Маметьев, Ю.В. Дрозденко, О.В. Любимов. - Перспективы развития горно-транспортных машин и оборудования: Сборник статей. - Горный инф.-аналит. бюллетень. - 2009. Отдельный выпуск 10. С. 84 - 90.
3. Любимов О.В. Повышение ресурса подшипниковых опор шнекового става машин горизонтального бурения. Автореферат дисс. к.т.н. - Кемерово, 2012 - 20 с.

Журнал «Вода Magazine» №4 (56), 2012 г.