Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты
В статье изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимостей частоты и размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, которые реализуются устройством гидроимпульсного воздействия. Моделирование процесса импульсного нагнетания жидкости проведено при различн...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2016
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138306 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты / В.В. Зберовский, Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, Ю.Е. Поляков, Р.Н. Наривский, А.В. Пазынич // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 130. — С. 92-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-138306 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1383062018-06-19T03:05:02Z Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты Зберовский, В.В. Васильев, Л.М. Жулай, Ю.А. Поляков, Ю.Е. Наривский, Р.Н. Пазынич, А.В. В статье изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимостей частоты и размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, которые реализуются устройством гидроимпульсного воздействия. Моделирование процесса импульсного нагнетания жидкости проведено при различных режимных параметрах: давлении нагнетания 5…25 МПа, давлении подпора 0,1…12 МПа, расходе жидкости 25…60 л/мин, что соответствует параметрам гидрорыхления угольных пластов на глубинах их залегания до 1300 м. Исследования проведены при различных углах раскрытия диффузора и длины критического сечения кавитационного генератора ГК-2,5. Анализ полученных результатов позволил обосновать рабочий диапазон режимных параметров устройства для импульсного нагнетания жидкости, в котором достигаются рациональные значения размаха и частоты автоколебаний, и разработать метод расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. У статті викладено результати теоретичних і експериментальних досліджень частоти і розмаху автоколивань, що реалізуються пристроєм гідроімпульсної дії в фільтраційній частині свердловини. Моделювання процесу імпульсного нагнітання рідини проведено при різних режимних параметрах: тиску нагнітання 5…25 МПа, тиску підпору 0,1…12 МПа, витраті рідини 25…60 л/хв, що відповідає параметрам гідророзпушування вугільних пластів на глибинах їх залягання до 1300 м. Дослідження проведені при різних кутах розкриття дифузора і довжини критичного перетину генератора пружних коливань ГК-2,5. Аналіз одержаних результатів дозволив обґрунтувати робочий діапазон режимних параметрів імпульсного нагнітання рідини, в якому досягаються раціональні значення розмаху і частоти автоколивань, і розробити метод розрахунку параметрів пристрою гідроімпульснї дії на викидонебезпечні вугільні пласти. The article describes results of theoretical and experimental studies of dependences between frequency and amplitude of oscillation conducted with the help of hydroimpulse device operating in the filter of the borehole. Process of the fluid pulsed injection was simulated at various regime parameters: injection pressure 5 ... 25 MPa, backwater pressure 0.1 ... 12 MPa, flow rate of fluid 25 ... 60 l/min, which corresponded to parameters of the coal-seams hydraulic loosing at the depth of their occurrence up to 1300 m. The investigations were carried out at different angles of the diffuser opening and length of critical section of the GV 2.5 oscillator. Analysis of the results allowed to substantiate the working parameter range of the pulsed fluid injection, and to develop a method for calculating parameters for the hydroimpulse machine operating in the prone-to-outburst coal seams. 2016 Article Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты / В.В. Зберовский, Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, Ю.Е. Поляков, Р.Н. Наривский, А.В. Пазынич // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 130. — С. 92-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138306 621.313.12-752.001.5:532.528 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В статье изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимостей частоты и размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в скважине, которые реализуются устройством гидроимпульсного воздействия. Моделирование процесса импульсного нагнетания жидкости проведено при различных режимных параметрах: давлении нагнетания 5…25 МПа, давлении подпора 0,1…12 МПа, расходе жидкости 25…60 л/мин, что соответствует параметрам гидрорыхления угольных пластов на глубинах их залегания до 1300 м. Исследования проведены при различных углах раскрытия диффузора и длины критического сечения кавитационного генератора ГК-2,5. Анализ полученных результатов позволил обосновать рабочий диапазон режимных параметров устройства для импульсного нагнетания жидкости, в котором достигаются рациональные значения размаха и частоты автоколебаний, и разработать метод расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты. |
| format |
Article |
| author |
Зберовский, В.В. Васильев, Л.М. Жулай, Ю.А. Поляков, Ю.Е. Наривский, Р.Н. Пазынич, А.В. |
| spellingShingle |
Зберовский, В.В. Васильев, Л.М. Жулай, Ю.А. Поляков, Ю.Е. Наривский, Р.Н. Пазынич, А.В. Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Зберовский, В.В. Васильев, Л.М. Жулай, Ю.А. Поляков, Ю.Е. Наривский, Р.Н. Пазынич, А.В. |
| author_sort |
Зберовский, В.В. |
| title |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| title_short |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| title_full |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| title_fullStr |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| title_full_unstemmed |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| title_sort |
разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/138306 |
| citation_txt |
Разработка метода расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты / В.В. Зберовский, Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, Ю.Е. Поляков, Р.Н. Наривский, А.В. Пазынич // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 130. — С. 92-106. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT zberovskijvv razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty AT vasilʹevlm razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty AT žulajûa razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty AT polâkovûe razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty AT narivskijrn razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty AT pazyničav razrabotkametodarasčetaparametrovustrojstvagidroimpulʹsnogovozdejstviânavybrosoopasnyeugolʹnyeplasty |
| first_indexed |
2025-07-10T05:31:40Z |
| last_indexed |
2025-07-10T05:31:40Z |
| _version_ |
1837236757874081792 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
92
УДК 621.313.12-752.001.5:532.528
Зберовский В.В., канд. техн. наук, ст. науч.сотр.,
Васильев Л.М., д-р техн. наук, профессор,
Жулай Ю.А., канд. техн. наук, ст. науч.сотр.,
Поляков Ю.Е., магистр,
Наривский Р.Н., магистр,
Пазынич А.В., магистр
(ИГТМ НАН Украины)
РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА
ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫБРОСООПАСНЫЕ
УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ
Зберовський В.В., канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Васильєв Л.М., д-р техн. наук, професор,
Жулай Ю.О., канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Поляков Ю.Є., магістр,
Наривський Р.М., магістр,
Пазиніч А.В., магістр
(ІГТМ НАН України)
РОЗРОБКА МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ПРИСТРОЮ
ГІДРОІМПУЛЬСНОЇ ДІЇ НА ВИКИДОНЕБЕЗПЕЧНІ ВУГІЛЬНІ
ПЛАСТИ
Zberovskiy V.V., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
Vasilyev L.М., D.Sc. (Tech.), Professor,
Zhulay Yu.А., Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
Polyakov Yu.Ye., M.S. (Tech.),
Narivskiy R.N., M.S. (Tech.),
Pazynich A.V., M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukraine)
DEVELOPMENT OF METHOD FOR CALCULATING PARAMETERS OF
HYDROIMPULSE MACHINE OPERATING
IN THE PRONE-TO-OUTBURST COAL SEAMS
Аннотация: В статье изложены результаты теоретических и экспериментальных иссле-
дований зависимостей частоты и размаха автоколебаний от давления подпора жидкости в
скважине, которые реализуются устройством гидроимпульсного воздействия. Моделирова-
ние процесса импульсного нагнетания жидкости проведено при различных режимных пара-
метрах: давлении нагнетания 5…25 МПа, давлении подпора 0,1…12 МПа, расходе жидкости
25…60 л/мин, что соответствует параметрам гидрорыхления угольных пластов на глубинах
их залегания до 1300 м.
Исследования проведены при различных углах раскрытия диффузора и длины критиче-
ского сечения кавитационного генератора ГК-2,5. Анализ полученных результатов позволил
обосновать рабочий диапазон режимных параметров устройства для импульсного нагнетания
________________________________________________________________________________
© В.В. Зберовский, Л.М. Васильев, Ю.А. Жулай, Ю.Е. Поляков, Р.Н. Наривский, А.В. Пазынич, 2016
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
93
жидкости, в котором достигаются рациональные значения размаха и частоты автоколебаний,
и разработать метод расчета параметров устройства гидроимпульсного воздействия на вы-
бросоопасные угольные пласты.
Ключевые слова: генератор кавитации, нагнетание жидкости, частота и размах автоко-
лебаний, параметр кавитации, давление подпора.
Актуальность задачи. Исследование кавитационных генераторов [1] и па-
раметров динамического нагружения угольного пласта в фильтрационной части
скважины при гидроимпульсном воздействии получило развитие в работах [2-
7]. Вместе с тем, в процессе исследований до настоящего времени не рассмот-
рены вопросы обоснования рабочего диапазона генератора устройства, энерге-
тической оценки и критерия контроля режима импульсного нагнетания жидко-
сти. Решение этих задач имеет большое практическое значение при гидрорых-
лении выбросоопасных угольных пластов.
В работах [4-6] рассмотрены результаты исследований частоты и размаха
автоколебаний периодически-срывного течения жидкости в имитаторе скважи-
ны, которые позволили обосновать рациональные гидродинамические парамет-
ры генератора ГК-2,5 с lкр=3,0 мм и β=20
º
и его рабочие режимы. Установлено,
что для глубин залегания угольных пластов до 700 м, рабочий диапазон генера-
тора при давлении нагнетания Рн=15 МПа составляет 0,1≤Рп≤12,0 МПа, а для
глубин от 700 до 1300 м, при давлении Рн≥20 МПа ограничивается только верх-
ней его границей Рп≤0,82Рн. При этом увеличение давления нагнетания жидко-
сти с 15 МПа до 25 МПа приводит к стабилизации периодически-срывного те-
чения жидкости в фильтрационной части скважины, росту значений размаха
автоколебаний и расширению верхней границы рабочего диапазона генератора
с 10,0 до 14,0 МПа, что повышает эффективность гидровоздействия.
Анализ установленных зависимостей показал, что с увеличением давления
нагнетания с 5 до 25 МПа их корреляционная связь с давлением подпора жид-
кости в фильтрационной части скважины возрастает с R
2
=0,69 до R
2
=0,9. Полу-
ченные результаты подтверждены горно-экспериментальными исследованиями,
что отмечено в работах [2, 7]. Установлено, что параметры динамического на-
гружения выбросоопасных угольных пластов соответствуют условию
Рп≤0,82Рн, что обеспечивает безопасность ведения горных работ.
Исходя из полученных результатов, сформулирована цель данной работы –
определить рабочий диапазон режимных параметров устройства гидроим-
пульсного воздействия, в котором достигаются рациональные значения размаха
и частоты автоколебаний, и разработать метод расчета параметров устройства
гидроимпульсного воздействия на выбросоопасные угольные пласты.
Основное содержание работы. Многочисленные результаты исследований
при моделировании процесса кавитационного течения жидкости на гидравли-
ческом стенде позволили сформировать базу экспериментальных данных. На
основании анализа этих результатов, установлены зависимости изменения час-
тоты и размаха автоколебаний от параметра кавитации и давления подпора. Это
позволило обосновать рабочий диапазон и установить минимальные значения
размаха автоколебаний, при которых в угольном пласте под воздействием вы-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
94
сокочастотной гидравлической вибрации инициируется развитие трещин. При
решении этих задач возникла необходимость энергетической оценки стацио-
нарной и пульсирующей струй жидкости при импульсном режиме нагнетания.
1. Энергетическая оценка процесса импульсного нагнетания жидкости
Оценка энергетических характеристик стационарной и пульсирующей струй
жидкости при импульсном нагнетании жидкости впервые рассмотрена нами в
работе [8]. Для сравнительной оценки энергетического воздействия на уголь-
ный пласт статического и импульсного режимов нагнетания будем следовать
работе Б.В. Раушенбаха [9]. Тогда плотность потока энергии, протекающего че-
рез единицу поверхности, перпендикулярной к направлению скорости потока,
будет представлена в виде
Pvε)
2
v
ρv(Э
2
, (1)
где ρ – плотность жидкости, кг/м
3
; v – вектор скорости, м/с; – внутренняя
энергия единицы массы жидкости, Дж/кг·с; P – давление, МПа.
Величина ρv в уравнении (1) представляет собой перенос кинетической и
внутренней энергии потоком массы жидкости через единицу поверхности в
единицу времени, а слагаемое Pv описывает передачу энергии давлением. По-
ток энергии через поверхность F в [9] рассматривается как
F
2
df Pvε
2
v
ρvЭ , (2)
где – df по абсолютной величине равно площади элемента поверхности скважи-
ны и направлено по нормали к еѐ оси, м
2
.
Рассмотрим подробнее слагаемое выражения (2) потока энергии
F
Pvdf че-
рез поверхность df при постоянном давлении
F
PvdfPQ , где Q – объемный
расход жидкости.
В потоке движения жидкости, при гармонических колебаниях, давление и
расход можно представить в виде
P=Py+Р, Q=Qy+Q,
где – Ру и Qу установившиеся значения давления и расхода жидкости; Р, Q –
отклонения давления и расхода от установившихся значений.
Тогда среднеинтегральное значение потока энергии за период колебаний T
будет определяться как
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
95
T
0
yyΣ ΔPΔQdt
T
1
QPPQ . (3)
Поток энергии РуQу соответствует установившемуся течению и не связан с
импульсами давления. Второе слагаемое в выражении (3) характеризуется со-
ставляющими импульсного нагружения Р и Q и представляет собой поток
импульсной энергии, который определяется как
.ΔQΔP
2
1
Эи (4)
Поток энергии статического нагружения при установившемся течении жид-
кости РуQу определялся по давлению подпора Рп и расходу Qн
Эст = Pп Qн. (5)
Величина Рп·Qн характеризует процесс фильтрации жидкости в пласт при
статическим нагнетанием жидкости.
Расчет потока энергии при импульсном нагружении выполнен в диапазоне
Рп=1…12 МПа при давлении нагнетания Рн=20 МПа. На рисунке 1 представле-
ны установленные экспериментальные зависимости максимальных и мини-
мальных значений размаха автоколебаний Р1 от давления подпора Рп.
Рисунок 1 – Экспериментальные зависимости max и min значений размаха
автоколебаний Р1 от давления подпора Рп при Q=55 л/мин и Рн=20 МПа
В зоне «А» поток энергии определяется составляющими импульсного на-
гружения – Р, Q и Р=Р1 max, поскольку Р1 min=0. В зоне «В» поток энергии
определяется составляющими импульсного нагружения – Р, Q и составляю-
щими статического нагружения Ру и Qу.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
96
Учитывая, что форма сигнала Р1 близка к треугольной, выражение (4) запи-
шется в виде
1
PgQ . (6)
Результаты расчета потоков энергии представлены на рисунке 2, где обозна-
чено: 1 – энергия, соответствующая установившемуся течению жидкости при
статическом режиме нагнетания жидкости (5) в скважину, 2 – динамическая со-
ставляющая потока энергии импульса (6), 3 – результирующая потока энергии
при импульсном нагнетании жидкости.
Рисунок 2 – Расчетные зависимости потока энергии Э от давления подпора Рп при значениях
расхода Q=55 л/мин и давлении нагнетания Рн=20 МПа
Из установленных зависимостей (рис. 2) следует, что:
– зависимость потока энергии Эст=f(Рп) статической составляющей нагнета-
ния жидкости в угольный пласт носит линейный характер (линия 1). С ростом
давления подпора от 1 до 12 МПа поток энергии возрастает с 0,1 до 1,1 КДж/с;
– распределение энергии динамической составляющей (кривая 2), при рав-
ных условиях по давлению нагнетания Рн и давлению подпора Рп, имеет слож-
ный характер и заметно влияет на результирующий поток энергии (кривая 3)
гидроимпульсного воздействия. Так, при давлении нагнетания Рн=20 МПа и
значениях подпора Рп=1 МПа результирующий поток энергии при импульсном
режиме нагнетании превышает поток энергии статического примерно в 20 раз,
а при Рп=12 МПа примерно в 1,3 раза;
– характер снижения динамической составляющей потока энергии при гид-
роимпульсном воздействии (линия 2) от его максимума 2,5 КДж/с при давлении
подпора Рп=1,4 МПа до минимума 0,3 КДж/с при Рп=12 МПа объясняется сни-
жением размаха автоколебаний Р1, который снижается одновременно с ростом
давления подпора Рп жидкости в скважине.
Приведенные результаты исследований позволили установить, что суммар-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
97
ный поток энергии при импульсном нагнетании в зависимости от подпорного
давления описывается степенной функцией. В рабочем диапазоне давления
подпора жидкости в скважине от 1 до 12 МПа суммарный поток энергии дина-
мической составляющей соответственно в 20…1,3 раза превышает поток энер-
гии статического нагнетания. Пученные результаты подтверждаются эффек-
тивностью гидроимпульсного воздействия при проведении горно-
экспериментальных работ, которыми установлено, что повышение эффективно-
сти гидрорыхления обеспечивается увеличением зоны разгрузки угольного
пласта более чем в 1,5 раза.
2. Определение рабочего диапазона генератора устройства для гидро-
импульсного воздействия
Ранее проведенными исследованиями [2-7] были обоснованы исходные дан-
ные для разработки устройства и условия его применения. Методикой модели-
рования импульсного нагнетания жидкости [10], предусмотрено определение
рабочего диапазона генератора КГ-2.5 с различными углами раскрытия диффу-
зора и длиной критического сечения. Там же отмечено, что экспериментальный
стенд (рис.3) для моделирования импульсного нагнетания жидкости позволяет:
– проводить моделирование процесса импульсного нагнетания при давлении
на входе генератора Рн≥5,0 МПа и расходе Q=30-90 л/мин с регулированием
давления подпора в диапазоне Рп=(0,02-0,9)Рн;
- исследовать динамические характеристики устройства по длине фильтра-
ционной части скважины ∆P2-5 в зависимости от давления подпора Pп;
– изменяя давление подпора жидкости в имитаторе скважины установить
характер изменения гидравлического сопротивления угольного пласта при его
гидрорыхлении.
1 – имитатор скважины; 2 – ГК-2.5; 3 - манометр; 4 – индуктивный датчик ДДИ-20, располо-
женные по длине скважины; 5 – первичный преобразователь ИВП-2; 6 – ПЭВМ;
7 – соединительные кабели
Рисунок 3 – Схема измерительной и контрольной аппаратуры стенда
Сигналы с датчиков ДДИ-20, установленных на имитаторе скважины, через
первичный преобразователь ИВП-2 передаются на персональный компьютер,
где формируется база экспериментальных данных. В комплексе измерительной
аппаратуры экспериментального стенда используется модуль аналого-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
98
цифрового преобразователя (АЦП) общего назначения Е14-140. В качестве
программного обеспечения используется программа «PowerGraph».
Расчет динамических параметров давления жидкости основан на прямой ре-
гистрации значений параметров датчиков ДДИ-20 путем преобразования физи-
ческой величины в электрический сигнал. Пример измерения пульсаций давле-
ния жидкости Р2–Р5 приведен на рис. 4.
Рисунок 4 – Копия осциллограмм пульсаций давления жидкости по длине
имитатора скважины, регистрируемых измерительной аппаратурой
Сигнал от датчика через преобразователь поступает в ПЭВМ и пересчиты-
вается в его физическое значение по формуле
Рi = Ni/Кт, (7)
где Ni – текущее значение отсчета датчика в i-й момент времени; Кт – чувстви-
тельность датчика при его тарировке.
Данные испытания формируются в виде файлов первичных значений им-
пульсов давления для дальнейшей обработки по определению частоты f и раз-
маха автоколебаний Р1 на выходе из генератора устройства и по длине имита-
тора скважины Р2-5.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
99
Частота следования импульсов на выходе из генератора определяется из ос-
циллограммы по формуле
f = n(1/t), (8)
где n – количество периодов пульсаций при установившихся Рн и Рп; t – дли-
тельность n-периодов пульсаций в секундах.
Размах автоколебаний давления Р представляет собой разницу между мак-
симальным Рmax и минимальным Рmin значениями давления в импульсе
Р = Рmax – Рmin. (9)
Определение динамических характеристик генератора устройства проводит-
ся при задании входным дросселем установившегося значения давления на
входе Рн5; 10; 20; 30 МПа. При каждом установившемся давлении на входе Рн
выходным дросселем дискретно изменяется давление на выходе (в имитаторе
скважины) Рп с шагом 0,025Рп при Рн=(0,05-0,3)Рп и с шагом 0,05Рн при
Рп=(0,3-0,8)Рн. При установившихся значениях давлений на входе Р0 и выходе
Р1, осуществляется фиксирование значений со временем регистрации не менее
15 секунд на каждой частоте. На ПЭВМ производится их расшифровка, а затем
по значениям измеренных величин производится расчет гидродинамических
характеристик при различных режимных параметрах и оценивается его работо-
способность.
В качестве примера результатов исследований в таблице 1 представлены
данные определения расходной характеристики генератора ГК-2,5 при
Рн=20 МПа.
Таблица 1 – Результаты исследований характеристик ГК-2,5 при Рн = 20 МПа
№
замера
Рп,
МПа
Q,
л/мин
Рп/Рн
∆Рг
(Рн-Рп)
МПа
№
замера
Рп,
МПа
Q,
л/мин
Рп/Рн
∆РГ
(Рн-Рп)
МПа
1 0,6 55,2 0,03 19,4 14 12,0 55,5 0,6 8,0
2 0,8 55,4 0,04 19,2 15 14,0 54,7 0,7 6,0
3 1,0 55,1 0,05 19,0 16 16,0 54,4 0,8 4,0
4 1,4 55,2 0,07 18,6 17 16,5 52,1 0,825 3,5
5 1,9 55,6 0,095 18,1 18 17,0 47,5 0,85 3,0
6 2,4 55,2 0,12 17,6 19 17,5 38,6 0,875 2,5
7 3,0 55,3 0,15 17,0 20 17,7 38,3 0,885 2,3
8 3,8 54,8 0,19 16,2 21 17,8 36,1 0,89 2,2
9 4,8 55,2 0,24 15,2 22 18,2 28,9 0,91 1,8
10 5,6 55,0 0,28 14,4 23 18,6 25,5 0,93 1,4
11 7,0 55,2 0,35 13,0 24 18,8 20,2 0,94 1,2
12 9,0 55,4 0,45 11,0 25 19,7 7,0 0,985 0,3
13 11,0 55,0 0,55 9,0 26 20,0 0,0 1 0,0
В таблице: Рп – давление подпора; Q – расход жидкости; ∆Рг=(Рн-Рп) – гидравлические
потери; Рп/Рн= – параметр кавитации.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
100
По установленным значениям параметров в координатах расхода жидкости
Q от гидравлических потерь ∆Рг определяется расход генератора, а в координа-
тах расхода жидкости Q от отношения Рп/Рн= определяется диапазон парамет-
ра кавитации , при котором за генератором реализуется устойчивое кавитаци-
онное течение жидкости (рис. 5).
Рисунок 5 – Характеристика генератора ГК-2,5 в координатах «∆Рг – Q» и «Рп/Рн – Q»
По параметру кавитации определяется критерий контроля гидроимпульсно-
го воздействия Рп≤maxРн. Например, для ГК-2,5 исходя из результатов, приве-
денных в табл. 1 и на рис. 5, установлено, что режим устойчивого кавитацион-
ного течение жидкости наблюдается в диапазоне 0,012≤≤0,82. Тогда
max=Рп/Рн≤0,82 или Рп≤0,82Рн (10)
Моделированием импульсного нагнетания жидкости установлено, что рас-
четные геометрические параметры генератора ГК-2.5 при любых значениях
давления нагнетания в диапазоне 5…30 МПа обеспечивают максимальные зна-
чения давления в импульсе P и их передачу поверхности угля в скважине.
3. Расчет параметров устройства гидроимпульсного воздействия
Диапазон рабочей зоны, минимальных значений параметров динамического
нагружения и критерия контроля активной стадии процесса воздействия опре-
деляется для предельного случая скорости развития деформации =10 с
-1
, при
которой в угольном пласте инициируется развитие трещины [2, 3]. Величина
импульсной нагрузки составит
f
10E
ΔP , (11)
где Р – импульсное давление, МПа; E – модуль упругости угля, МПа; f – час-
тота следования импульсов, кГц.
Рабочий диапазон устройства определяется по АЧХ генератора и значению
модуля упругости угля по напластованию 3∙10
2
≤Е≤5∙10
2
МПа и перпендикуляр-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
101
но ему до Е=2∙10
3
МПа. Согласно (11), для генератора ГК-2,5 (рис. 6) все значе-
ния размаха автоколебаний P=30…3 МПа с соответствующими им частотами
f=0,8…8 кГц, должны располагаться выше уровня кривой 3. Значения этих па-
раметров будут обеспечивать развитие трещин по мощности пласта.
Известно, что в соответствии с требованиями правил безопасности, макси-
мальные значения импульсов давления не должны превышать 0,75γН. Нижняя
граница значения этого параметра определяется критерием эффективности гид-
рорыхления – снижением давления нагнетания не менее чем на 30%. Тогда для
глубин разработки выбросоопасных пластов от 600 до 1300 м диапазон значе-
ний давления жидкости на входе генератора устройства Рн составит 0,52γН≤Рн
≤0,75γН или 10≤Рн≤23 МПа (рис. 7).
Рисунок 6 – Теоретические зависимости мини-
мальных значений импульсов давления P от
частоты их следования f для различных значений
модуля упругости угля
Е=3 10
2
МПа; 5 10
2
МПа; 2 10
3
МПа
Рисунок 7 – Рабочий диапазон давления
импульсного нагнетания
жидкости на глубинах от 600 до 1300 м
(γ=2,65 т/м
3
)
Параметры рабочих режимов устройства определяются экспериментально
на гидравлическом стенде (см. рис. 3). По установленным данным производит-
ся расчет частоты и размаха автоколебаний, определяется АЧХ генератора уст-
ройства и еѐ изменение по длине имитатора скважины Р2–Р5. АЧХ генерато-
ра устройства сопоставляется с минимальными значениями параметров дина-
мического нагружения пласта и определяется диапазон давления нагнетания
жидкости. Сопоставление параметров показано на двух примерах при давлении
нагнетания 20 и 11 МПа с расходом Q≈55 и 40 л/мин соответственно в диапазо-
не давления подпора жидкости 1≤Рп≤12 МПа (рис. 8, 9).
На рисунке 9 так же приведена среднестатистическая линия тренда значе-
ний Р2…Р5, установленной АЧХ генератора устройства при Рн=11 МПа, ко-
торая с достаточно высокой достоверностью описывается уравнением вида
∆P=0,297f
3
-3,406f
2
+10,513f. R
2
= 0,86 (12)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
102
Корректировка параметров гидроимпульсного воздействия в промышлен-
ных условиях проводится при опытных нагнетаниях (не менее трех) после мон-
тажа в забое выработки оборудования, необходимого для гидрорыхления вы-
бросоопасных угольных пластов (рис. 10).
Рисунок 8 – Сопоставление АЧХ генератора
с минимальными значениями параметров
гидрорыхления при Рн=20 МПа
Рисунок 9 – Сопоставление АЧХ генератора
устройства с минимальными
значениями параметров гидрорыхления при
Рн=11 МПа
1 – корпус устройства, 2 – герметизатор скважины, 3 – водоотвод устройства, 4 – распреде-
литель потока жидкости, 5 – генератор упругих колебаний (ГК), 6 – патрубок для подвода
жидкости к устройству, 7 – хвостовик устройства, 8 – манометр для контроля давления в
скважине, 9, 11 – высоконапорный рукав, 10 – насосная установка, 12 – манометр для кон-
троля давления нагнетания, 13 – кран регулировки давления нагнетания, 14 – расходомер
жидкости
Рисунок 10 – Схема монтажа оборудования
После монтажа и проверки герметичности гидродинамической системы
включают насосную установку. Расчетное давление нагнетания регистрируется
манометром 12 и регулируется краном 13 (см. рис.10). Объем жидкости, зака-
чиваемой в угольный пласт, определяется по показаниям расходомера жидко-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
103
сти 14. Вода под высоким давлением проходит внутри корпуса устройства и
через герметизатор по прямоточным каналам распределителя потока жидкости
поступает на вход генератора. Поскольку входное отверстие генератора имеет
малое проходное сечение, то за счет гидросопротивления (не менее 5 МПа)
давление воды в герметизаторе возрастает и, расширяя его упругую часть,
обеспечивает надежную герметизацию скважины.
Последовательность процесса гидрорыхления в импульсном режиме нагне-
тания жидкости рассмотрим на примере изменения размаха автоколебаний,
реализуемых ГК-2,5 в фильтрационной части скважины (рис. 11).
1-4 уровни развития автоколебаний давления жидкости
Рисунок 11 – Изменение размаха автоколебаний, реализуемых ГК-2,5
в фильтрационной части скважины при различных режимах нагнетания
После включения насосной установки плавно, в течение 1…2 минут, на вхо-
де генератора устанавливается расчетное давление нагнетания. В процессе гид-
рорыхления по манометру фиксируется максимальное давление подпора Рmax.
Этому давлению будет соответствовать минимальное значение коэффициента
фильтрации жидкости в угольный пласт. Далее, по мере развития трещинообра-
зования и фильтрационных свойств угольного пласта (активной стадии процес-
са), давление подпора жидкости в скважине снижается и стабилизируется. Ус-
тановившееся давление подпора принимается за его конечное значение Рк, ко-
торое является критерием контроля активной стадии воздействия. Диапазон
давления подпора от Рmax до Рк будет соответствовать параметрам динамиче-
ского нагружения генератора с его АЧХ в рабочем диапазоне. Например
(рис.11), при Рн=20 МПа это 1-4 уровни развития размаха автоколебаний, при
которых скорость фильтрации жидкости по образовавшимся трещинам будет
соответствовать расходной характеристике генератора устройства. Если сниже-
ние давления подпора от Рmax до Рк составит 30% и более, то гидрорыхление
эффективно. Если нет, то давление на входе генератора увеличивается, напри-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
104
мер, до 30 МПа и гидрорыхление повторяется.
Выводы.
Разработан метод энергетической оценки процесса импульсного нагнетания
жидкости, который позволил установить, что при прочих равных условиях (по
давлению нагнетания Рн=20 МПа и подпора Рп=1…12 МПа) суммарный поток
энергии при импульсном нагнетании в 1,3…20 раз превышает поток энергии
статического нагнетания.
Моделированием на гидравлическом стенде процесса импульсного нагнета-
ния жидкости и определением расходной характеристики генератора устройст-
ва установлен рабочий диапазон его работоспособности по параметру кавита-
ции 0,012≤≤0,82 и критерий контроля гидроимпульсного воздействия
max=Рп/Рн≤0,82 или Рп≤0,82Рн .
На примере двух значений давления нагнетания жидкости 20,0 и 11,0 МПа
показано, что динамические параметры устройства удовлетворяют требованиям
минимально необходимого уровня значений размаха автоколебаний и частоты
их следования. Не перегружая массив угля в целом, гидроимпульсное воздейст-
вие инициирует развитие разнонаклонных трещины и интенсифицирует газо-
выделение из пласта.
Горно-экспериментальными работами установлено, что эффективность гид-
роимпульсного воздействия подтверждается снижением давления подпора
жидкости в скважине более чем на 30% от максимально установленного и по-
зволяет по сравнению со статическим нагнетанием увеличить зону разгрузки
угольного пласта более чем в 1,5 раза.
На основании полученных результатов разработан метод расчета гидроди-
намических параметров устройства гидроимпульсного воздействия на выбро-
соопасные угольные пласты.
–––––––––––––––––––––––––––––––
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пилипенко, В.В. Кавитационные автоколебания / В.В. Пилипенко. – К.: Наукова думка, 1989. –
316 с.
2. Кавитационное устройство импульсного гидрорыхления угольных пластов / Л.М. Васильев,
В.В. Зберовский, Ю.А. Жулай, [и др.] // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ
НАН Украины. – Днепропетровск, 2014. - № 114. – С.162-168.
3. Жулай, Ю.А. Теоретическое обоснование динамических параметров импульсного нагнетания
жидкости в угольный пласт / Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский, Д.Л. Васильев / Науковий вісник НГУ.
– 2012. – № 3 (129). – C. 26-30.
4. Цепков, К.В. Программное обеспечение моделирования процесса импульсного нагнетания
жидкости в угольные пласты на имитаторе скважины / К.В .Цепков, В.В. Зберовский, А.В. Нечаев //
Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2014. -
№ 117. – С. 79-86.
5. Зберовский, В.В. Исследование динамических параметров генератора упругих колебаний при
различных углах раскрытия диффузора / В.В. Зберовский, Ю.Е. Поляков, Р.Н. Наривский // Геотех-
ническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2014. - № 117.
– С. 96-102.
6. Зберовский, В.В. Развитие инженерного метода расчета динамических параметров гидроим-
пульсного воздействия / В.В. Зберовский // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ
НАН Украины. – Днепропетровск, 2015. - № 125. – С. 110-121.
7. Васильев, Л.М. Гидроимпульсное рыхление угольных пластов при проведении подготовитель-
ных выработок / Л.М. Васильев, В.В. Зберовский // Уголь Украины, №2.- 2013. - С. 44-47.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
105
8. Жулай, Ю.А. Энергетический подход к исследованию импульсного нагнетания жидкости в
угольный пласт / Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский // Науковий вісник НГУ. – 2012. – № 3 (129). – C.
26-30.
9. Раушенбах, Б.В. Вибрационное горение / Б.В. Раушенбах. – М.: Физматгиз, 1961. – 500 с.
10. Методика моделирования процесса импульсного нагнетания жидкости / Л.М.Васильев,
В.В.Зберовский, Ю.Е. Поляков [и др.]. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. – 13 с.
REFERENCES
1. Pilipenko, V.V. (1989), Kavitatsionnye kolebaniya [Cavitations self-oscillation], Naukova Dumka,
Kiev, USSR.
2. Vasilyev, L.M., Zberovskiy, V.V., Polyakov, Yu.E. et al. (2014), ―Cavitation device of pulse hydro
breaking of coal layers‖, Geo-Technical Mechanics, no. 114, pp. 162-168.
3. Zhulay, Yu.A., Angelovskiy, A.A. and Vasilyev, D.L. (2012), ―Theoretical substantiation of dynami-
cal parameters of impulse injection of a fluid into a coal bed‖, Scientific Bulletin of NMU, no 3 (129), pp. 26-
30.
4. Tsepkov, K.V., Zberovskiy, V.V. and Nechaev, A.V. (2014), ―Software for simulating impulse fluid
injection the coal beds on the borehole simulator‖, Geo-Technical Mechanics, no. 117, pp. 79-86.
5. Zberovskiy, V.V., Polyakov, Yu.E. and Narivskiy, R.N. (2014), ―Investigation of dynamic parameters
of elastic generator vibrations at different angles of disclosure diffuser‖, Geo-Technical Mechanics, no. 117,
pp. 96-102.
6. Zberovskiy, V.V. (2015), ―The development of an engineering method for calculating dynamic para-
meters of The development of an engineering method for calculating dynamic parameters influence hy-
droimpulsive influence‖, Geo-Technical Mechanics, no. 125, pp. 110-121.
7. Vasilyev, L.M. and Zberovskiy, V.V. (2013), ―Hydropulsive loosening of coal layers in the preparato-
ry developments workings‖, Coal of Ukraine, no. 2, pp. 44-47.
8. Zhulay, Yu.A. and Angelovskiy, A.A. (2012), ―Energy approach to the study of a pulsed liquid injec-
tion into the coal seam‖, Scientific Collected Works of NMU, no. 129, vol. № 3., pp. 26-30.
9. Raushenbah, B.V. (1961), Vibratsionnoe gorenie, [Vibrating burning], Fizmatgiz, Moscow, USSR.
10. Vasilyev, L.M., Zberovskiy, V.V., Polyakov, Yu.Е. et al. (2014), Metodika modelirovaniay protses-
sa impulsnogo nagnetaniya zhydkosti [The methodology of modeling process of impulsive fluid injection],
N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторах
Зберовский Василий Владиславович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
старший научный сотрудник в отделе Проблем разрушения горных пород, Институт геотехнической
механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина,
avalansh@ua.fm.
Васильев Леонид Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом Про-
блем разрушения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Националь-
ной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина, avalansh@ua.fm.
Жулай Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт
геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ),
Днепр, Украина, avalansh@ua.fm.
Поляков Юрий Евгеньевич, магистр, младший научный сотрудник в отделе Проблем разруше-
ния горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии
наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепр, Украина. ZoRTFA@mail.ru
Наривский Роман Николаевич, магистр, младший научный сотрудник в отделе Проблем разру-
шения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии
наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепр, Украина, avalansh@ua.fm.
Пазынич Артѐм Вячеславович, магистр, инженер в отделе Проблем разрушения горных пород,
Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины
(ИГТМ НАН Украины), Днепр, Украина, dneprovec78@bigmir.net.
About the authors
Zberovskiy Vasyliy Vladislavovych, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Researcher, Senior
Researcher in Department of Rock Breaking Problems, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics
under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, avalansh@ua.fm.
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:ZoRTFA@mail.ru
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:dneprovec78@bigmir.net
mailto:avalansh@ua.fm
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №130
106
Vasilyev Leonid Mikhaylovich, Doctor of Technical Sciences (D.Sc.), Professor, Head of Department of
Rock Breaking Problems, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy
of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, avalansh@ua.fm.
Zhulay Yuriy Alekseevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Researcher, Principal Re-
searcher, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences of
Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, avalansh@ua.fm.
Polyakov Yuriy Evgenevich, Master of Sciences (M.S.), Junior Researcher in Department of Rock
Breaking Problems, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of
Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine., ZoRTFA@mail.ru.
Narivskiy Roman Nikolaevich, Master of Sciences (M.S.), Junior Researcher in Department of Rock
Breaking Problems, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of
Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, avalansh@ua.fm..
Pazynich Artem Vyacheslavovich, Master of Sciences (M.S.), Engineer in Department of Rock Break-
ing Problems, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sciences
of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepr, Ukraine, dneprovec78@bigmir.net.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Анотація: У статті викладено результати теоретичних і експериментальних досліджень
частоти і розмаху автоколивань, що реалізуються пристроєм гідроімпульсної дії в фільтра-
ційній частині свердловини. Моделювання процесу імпульсного нагнітання рідини проведе-
но при різних режимних параметрах: тиску нагнітання 5…25 МПа, тиску підпору 0,1…12
МПа, витраті рідини 25…60 л/хв, що відповідає параметрам гідророзпушування вугільних
пластів на глибинах їх залягання до 1300 м.
Дослідження проведені при різних кутах розкриття дифузора і довжини критичного пе-
ретину генератора пружних коливань ГК-2,5. Аналіз одержаних результатів дозволив обґру-
нтувати робочий діапазон режимних параметрів імпульсного нагнітання рідини, в якому до-
сягаються раціональні значення розмаху і частоти автоколивань, і розробити метод розраху-
нку параметрів пристрою гідроімпульснї дії на викидонебезпечні вугільні пласти.
Ключові слова: генератор кавітації, нагнітання рідини, частота та розмах автоколивань,
параметр кавітації, тиск підпору.
Abstract. The article describes results of theoretical and experimental studies of dependences
between frequency and amplitude of oscillation conducted with the help of hydroimpulse device
operating in the filter of the borehole. Process of the fluid pulsed injection was simulated at various
regime parameters: injection pressure 5 ... 25 MPa, backwater pressure 0.1 ... 12 MPa, flow rate of
fluid 25 ... 60 l/min, which corresponded to parameters of the coal-seams hydraulic loosing at the
depth of their occurrence up to 1300 m.
The investigations were carried out at different angles of the diffuser opening and length of
critical section of the GV 2.5 oscillator. Analysis of the results allowed to substantiate the working
parameter range of the pulsed fluid injection, and to develop a method for calculating parameters
for the hydroimpulse machine operating in the prone-to-outburst coal seams.
Keywords: generator of cavitation, liquid injecting, frequency and amplitude of oscillation, pa-
rameter of cavitation, backwater pressure.
Статья поступила в редакцию 10.11.2016
Рекомендовано к публикации д-ром технических наук Минеевым С.П.
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:ZoRTFA@mail.ru
mailto:avalansh@ua.fm
mailto:dneprovec78@bigmir.net
|