Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка
Сравнение проводилось по амплитуде и длительности электрического сигнала от перемещения мембраны датчика давления. Мембрана перемещалась двумя способами: ударом падающего тела и колебаниями воды. Показано, что длительность ударного импульса несколько больше, чем кавитационного. Плотность ввода энерг...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2013
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59585 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка / О.А. Усов, А.А. Потапенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 223-229. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-59585 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-595852014-04-10T03:01:25Z Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка Усов, О.А. Потапенко, А.А. Сравнение проводилось по амплитуде и длительности электрического сигнала от перемещения мембраны датчика давления. Мембрана перемещалась двумя способами: ударом падающего тела и колебаниями воды. Показано, что длительность ударного импульса несколько больше, чем кавитационного. Плотность ввода энергии через единицу поверхности массива для кавитационных колебаний в7 раз меньше чем для отбойного молотка МО5ПМ. Comparison was carried out on the amplitude and duration of the electric signal from the dis-placement of membrane pressure sensor. Displacement of membrane happens in two ways: by a blow of a falling body and by water fluctuations. It is shown that the duration of the impact impulse is longer than cavitation impulse. Density of energy input through array contact surface unit for cavitation oscillations is in 7 times less than for the MO5PM rock breakers. 2013 Article Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка / О.А. Усов, А.А. Потапенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 223-229. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59585 622.831.322:532.528 ru Геотехническая механика 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 |
Сравнение проводилось по амплитуде и длительности электрического сигнала от перемещения мембраны датчика давления. Мембрана перемещалась двумя способами: ударом падающего тела и колебаниями воды. Показано, что длительность ударного импульса несколько больше, чем кавитационного. Плотность ввода энергии через единицу поверхности массива для кавитационных колебаний в7 раз меньше чем для отбойного молотка МО5ПМ. |
| format |
Article |
| author |
Усов, О.А. Потапенко, А.А. |
| spellingShingle |
Усов, О.А. Потапенко, А.А. Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка Геотехническая механика |
| author_facet |
Усов, О.А. Потапенко, А.А. |
| author_sort |
Усов, О.А. |
| title |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| title_short |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| title_full |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| title_fullStr |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| title_full_unstemmed |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| title_sort |
сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59585 |
| citation_txt |
Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважины с энергией воздействия на массив отбойного молотка / О.А. Усов, А.А. Потапенко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 108. — С. 223-229. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT usovoa sravnenieénergiivozdejstviâkavitacionnyhkolebanijvodynastenkiskvažinysénergiejvozdejstviânamassivotbojnogomolotka AT potapenkoaa sravnenieénergiivozdejstviâkavitacionnyhkolebanijvodynastenkiskvažinysénergiejvozdejstviânamassivotbojnogomolotka |
| first_indexed |
2025-07-05T10:46:09Z |
| last_indexed |
2025-07-05T10:46:09Z |
| _version_ |
1836803549669883904 |
| fulltext |
223
УДК 622.831.322:532.528
О.А. Усов, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.,
А.А. Потапенко, аспирант
(ИГТМ НАН Украины)
СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ КАВИТАЦИОННЫХ
КОЛЕБАНИЙ ВОДЫ НА СТЕНКИ СКВАЖИНЫ С ЭНЕРГИЕЙ
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАССИВ ОТБОЙНОГО МОЛОТКА
Аннотация. Сравнение проводилось по амплитуде и длительности электрического сигнала от пе-
ремещения мембраны датчика давления. Мембрана перемещалась двумя способами: ударом падаю-
щего тела и колебаниями воды. Показано, что длительность ударного импульса несколько больше, чем
кавитационного. Плотность ввода энергии через единицу поверхности массива для кавитационных ко-
лебаний в 7 раз меньше чем для отбойного молотка МО5ПМ.
Ключевые слова: энергия удара, гидравлический импульс, амплитуда, частота, электрический сиг-
нал, отбойный молоток, гидрорыхление
O.A. Usov, Ph. D. (Tech.), Senior Researcher,
A.A. Potapenko, Doctoral Student
(IGTM NASU)
THE COMPARISON OF ACTION ENERGY OF WATER FLUCTUATIONS CAVITATION
ON BOREHOLE WALL WITH IMPACT ENERGY OF ROCK BREAKER ON AN ARRAY
Abstract. Comparison was carried out on the amplitude and duration of the electric signal from the dis-
placement of membrane pressure sensor. Displacement of membrane happens in two ways: by a blow of a
falling body and by water fluctuations. It is shown that the duration of the impact impulse is longer than cavi-
tation impulse. Density of energy input through array contact surface unit for cavitation oscillations is in 7
times less than for the MO5PM rock breakers.
Keywords: impact energy, hydraulic impulse, amplitude, frequency, electrical signal, rock breaker, hy-
drobreaking
Для борьбы с внезапными выбросами применяется гидрорыхление уголь-
ного пласта путём нагнетания в него воды под высоким давлением плунжерными
насосами.
ИГТМ ведёт работы по гидроимпульсному рыхлению пласта. Для их созда-
ния применяется кавитационный генератор, преобразующий постоянное давле-
ние плунжерного насоса в серию непрерывных гидравлических импульсов в час-
тотном диапазоне до 10 кГц. При этом частота основного тона приблизительно
1,2 кГц, а максимальный размах колебаний сопоставим с давлением плунжерного
насоса, питающего генератор.
Опыт обработки угольных пластов, в том числе выбросоопасных, показал,
что создание импульсов давления в скважине повышает эффективность гидро-
рыхления. Однако существует гипотетическая опасность провокации выброса эти-
ми импульсами на особо выбросоопасных пластах со специальным режимом ве-
дения горных работ.
Целью работы является сравнение энергии воздействия на массив гидрав-
лических импульсов при работе генератора с энергией ударных импульсов при
работе отбойного молотка.
Характеристики импульсов давления изучаются на модели скважины, пред-
ставляющей стальную трубу с вмонтированными в неё индукционными датчиками
давления ДДИ-20 (рис. 1).
© Усов О.А., Потапенко А.А., 2013
ISSN 1607-4556
224
Рис. 1 – Схема измерительной камеры
Вода, поступающая под давлением Рвх от насосной установки, проходит че-
рез погружной кавитационный генератор и попадает в измерительную камеру,
давление в которой Рк регулируется краном.
Датчики ДДИ-20, размещённые в измерительной камере регистрируют де-
формацию мембраны подвергающейся воздействию гидравлического давления.
Величина гидравлического давления (МПа) определяется по величине напряже-
ния электрического выходного сигнала (В). Стандартная тарировка выходного сиг-
нала производится по значениям постоянного гидравлического давления в изме-
рительной камере, определяемого манометром.
Для экспериментально сопоставления параметров гидравлического импуль-
са с ударным, была произведена тарировка электрического сигнала при ударе по
мембране датчика падающим грузом – стальным стержнем с деревянным нако-
нечником (табл. 1).
Таблица 1 – Деформация мембраны датчика ДДИ-20 при ударе падающим грузом массой 23 г (диа-
метр мембраны – 9 мм)
Высота сброса груза, см 5 5 10 10 10
Энергия удара, mДж (10-3) 11,5 11,5 23 23 23
Напряжение выходного сигнала, В 0,55 0,5 1,1 1,05 1
Испытанию подвергался кавитационный генератор ГК 3.0, пропускающий
80 л/мин при входном давлении 25 МПа. В процессе испытаний устанавливалось
входное давление Рв = 10; 15; 20; 22 МПа. При каждом значении входного давле-
ния изменялось давление в камере от 2 до 6 МПа с шагом 1 МПа. Длительность
регистрации импульсов при каждой фиксированной паре значений Рвх, Рк состав-
ляла 1,6 с.
На рис. 2 представлены результаты измерений электрического сигнала при
ударе по мембране с энергией 23 mНм (первый блок) и 11,5 mНм (второй блок).
Электрический сигнал от максимального гидравлического импульса показан
в блоке №3, а от минимального – в блоке №4. Оба сигнала получены от датчика
№1 при давлении на входе в генератор 22 МПа. Максимальному сигналу соответ-
ствует давление в камере 2 МПа, а минимальному – 6 МПа.
Анализ формы сигнала показывает, что длительность гидравлического им-
пульса – время нарастания от минимума до максимума и последующего спада от
максимума до минимума составляет около 10-4 с. Длительность ударного импуль-
са больше и составляет примерно 310-4 с. Большая растянутость ударного импуль-
са, возможно, объясняется смягчающим влиянием деревянного наконечника на
Геотехнічна механіка. 2013. 108
225
падающем стальном стержне. Но, скорее всего, гидравлический импульс короче
ударного.
Рис. 2 – Осциллограмма амплитуды колебаний мембраны при Рвх = 22 МПа, Рк = 2 МПа
Сравнение первых двух блоков показывает, что деформация мембраны от
удара прямо пропорциональна энергии удара. Тарировка датчика ДДИ-20 показы-
вает, что деформация мембраны прямо пропорциональна величине гидравличе-
ского давления. Это позволяет установить соответствие между давлением гидрав-
лического импульса и энергией удара падающего груза.
Значение электрического сигнала от ударного импульса равно 1,1 В, а от
гидравлического – 1,2 В. На тарировочном графике датчика ДДИ-20 электрическо-
му сигналу 1,1 В соответствует гидравлическое давление 20 МПа. Т.е.
(Sм = 0,64 см2) ∩ (20 МПа ↔ 23 mДж) (1)
где Sм – площадь поверхности для мембраны датчика ДДИ-20 диаметром 9 мм.
При других значениях давления Ри (МПа) гидравлического импульса его
ударный эквивалент Гsм воздействия на эталонный элемент поверхности массива
(Sм = 0,64 см2) определится из пропорции
Ри/20 = Э/23
Гsм = 1,15 Ри, mДж (2)
При оценке ударного эквивалента импульсного давления на эталонный
элемент поверхности камеры (скважины) по формуле (2) нужно учитывать, что ко-
лебания в ней носят не стационарный характер (рис. 3).
Приведенные на рис. 3 синхронные осциллограммы каждого из 4-х датчи-
ков показывают, что максимумы амплитуды датчиков не совпадают по времени.
Практически совпадающие максимумы амплитуд у датчиков №1 и №4 (вто-
рая слева вертикальная пунктирная линия) при более детальном рассмотрении
смещены по времени всего на 0,3 мс (см. рис. 4). Однако, этого незначительного
смещения достаточно для многократного снижения амплитуды датчика №4 в мо-
мент максимума амплитуды датчика №1 и наоборот.
В табл. 2 приведены значения импульса на каждом датчике (цифры по вер-
тикали) в те моменты времени, когда амплитуда достигает максимума на одном
из них (цифры по горизонтали). Ячейки с максимумом амплитуды выделены се-
рым цветом.
ISSN 1607-4556
226
Рис. 3 – Синхронные осциллограммы амплитуд 4-х датчиков при Рвх = 22 МПа, Рк = 2 МПа
Рис. 4 – Совмещённые осциллограммы амплитуд датчиков № 1 и № 4 в области максимумов при
Рвх = 22 МПа, Рк = 2 МПа
Значение в предпоследней строке таблицы получено по формуле (2) для
максимального давления гидроимпульса в измерительной камере, равного
24,7 МПа.
Геотехнічна механіка. 2013. 108
227
Таблица 2 – Значения электро- и гидро- импульса на каждом датчике в момент максимума амплитуды
на одном из них
№ датчи-
ка
Электроимпульс (В) в момент макси-
мума на датчике №
Гидроимпульс (МПа) в момент мак-
симума на датчике №
Масштаб
Рк/Uк,
МПа/В1 2 3 4 1 2 3 4
1 1,18 0,18 0,13 0 21,4 3,3 2,4 0 18,2
2 0,25 1,23 0,34 0,2 3,9 18,9 5,2 3,1 15,4
3 0 1,1 1,75 0,95 0 15,5 24,7 13,4 14,1
4 0,32 0,17 0 1,3 4,1 2,2 0 16,8 12,9
Ударный эквивалент Гsм импульсного давления на эталонный элемент
поверхности массива, mДж 28
Энергия удара отбойного молотка Мsм, приходящаяся на эталонный
элемент поверхности массива, mДж 199
Энергия удара отбойного молотка, приходящаяся на эталонный элемент по-
верхности, приведённая в последней строке таблицы, определялась по формуле
Мsм = ЭSм/Sк, (3)
где Э – энергия удара отбойного молотка МО5ПМ, равная 29,5 Дж;
Sк – площадь ударного конуса пики отбойного молотка диаметром d ≈ 3 см и
длиной h ≈ 10 см.
Sк = πd(h2 + d2/4)0,5 ≈ 95 см2
Результаты расчёта, приведённые в табл. 2, показывают, что удельная энер-
гия удара, передаваемая массиву через единицу поверхности контакта с пикой от-
бойного молотка в 7 раз выше, чем от максимального кавитационного импульса
давления.
Формула (3) определяет минимум удельной энергии удара отбойного мо-
лотка, поскольку площадь контакта конусной части пики Sк взята максимальной –
при полном её внедрении в массив. На начальной стадии внедрения площадь
контакта намного меньше, а удельная энергия удара отбойного молотка значи-
тельно выше, чем от максимального кавитационного импульса давления.
Оценка ударного эквивалента производилась по гидравлическому импульсу
максимальной амплитуды. Однако, как видно из рис. 2 – рис. 4, не каждый гид-
равлический импульс имеет амплитуду, близкую к максимальной. На рис. 5 при-
ведены гистограммы распределения электрических импульсов всех четырёх дат-
чиков при работе кавитационного генератора. По горизонтальным осям располо-
жены значения амплитуд, по вертикальным – количество импульсов с данной ам-
плитудой. Длительность интервала измерений составляла 1,6 с для всех датчиков.
Для трёх из четырёх датчиков (1, 2, 4) типичное значение амплитуды лежит в
диапазоне (0,15-0,3) В при максимуме её значений (1,2-1,3) В. (Максимальные
значения обозначены крайними правыми делениями горизонтальной шкалы). И
только на датчике №3 (рис. 5, в) типичное значение амплитуды примерно 0,8 В
при максимуме 1,6 В.
Отличие гистограммы датчика №3 от трёх других гистограмм объясняется
нарушением его настройки, но, скорее всего, оно свидетельствует о неравномер-
ном распределении импульсного давления по длине рабочей камеры. Для окон-
чательного ответа на этот вопрос необходимы дополнительные эксперименталь-
ные измерения.
Тем не менее, имеющихся данных достаточно для вывода, что на полутора
из двух метров длины интервала установки датчиков амплитуда большинства им-
пульсов значительно ниже их максимальных значений. Т.е. оценка ударного экви-
валента гидравлических импульсов, приведённая в табл. 2, завышена, а оценка
ISSN 1607-4556
228
удельной энергии удара отбойного молотка занижена. Это обстоятельство может
быть отнесено в запас расчёта.
а) датчик №1 б) датчик №2
в) датчик №3 г) датчик №4
Рис. 5 – Гистограммы распределения импульсов по амплитудам (Рвх = 22 МПа, Рк = 2 МПа, интервал
регистрации сигналов – 1,6 с)
Выводы
1. Прямым экспериментом установлен ударный эквивалент воздействия
гидравлического импульса кавитационного генератора на мембрану датчика ДДИ-
20 диаметром 9 мм. Он определяется формулой (2) и составляет 23 mДж при ам-
плитуде импульса 20 МПа.
2. Прямым экспериментом установлено, что длительности гидравлического
импульса (около 0,2 мс) короче ударного от груза с деревянным наконечником
(примерно 0,4 мс).
3. Проведённая расчётная обработка экспериментальных данных показала,
что ударный эквивалент гидравлического импульса, действующий на элемент по-
верхности скважины площадью 0,64 см2, как минимум, в 7 раз меньше удельной
энергии удара отбойного молотка – той части энергии, которая передаётся через
элемент контактной поверхности массива с ударным конусом той же площади.
4. Меньший ударный эквивалент гидравлического импульса, действующий в
глубине, а не на поверхности краевой части угольного пласта, позволяет утвер-
ждать, что вероятность возникновения выброса при кавитационном гидрорыхле-
нии меньше, чем при работе отбойного молотка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жулай, Ю.А. Теоретическое обоснование динамических параметров импульсного нагнетания жид-
кости в угольных пласт / Ю.А. Жулай, А.А. Ангеловский // Науковий вісник НГУ. – НГУ: Днепропет-
ровск, 2012. – № 3. – С. 26-30.
2. Машины и оборудование для угольных шахт: Справочник / Под ред. В.Н. Хорина. – 4-е изд. – М.:
Недра, 1987. – 424 с.
Геотехнічна механіка. 2013. 108
229
Об авторах
Усов Олег Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела Про-
блем разрушения горных пород, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной
академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина, usov_o_a@mail.ru
Потапенко Александр Алексеевич, аспирант, Институт геотехнической механики
им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАНУ), Днепропетровск, Украина;
И.о. генерального директора, Государственное предприятие «Донецкая угольная энергетическая ком-
пания» (ГП «ДУЭК), г. Донецк, Украина
About the authors
Usov Oleg Aleksadrovich, Candidate of Technical Sciences (Ph. D.), Senior Researcher in Department of
Rock Breaking Problems, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of
Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, usov_o_a@mail.ru
Potapenko Alexandr Alekseevich, Doctoral Student, M.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics
under the National Academy of Science of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine; Acting CEO of
State enterprise «Donbasskaya ugolnaya energeticheskaya kompanya», Donetsk, Ukraine
УДК 648.4:539.3
М.В. Стецюк, аспирант, инженер,
С.Н. Луценко, аспирант, инженер
(ИГТМ НАН Украины)
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗИНОВОЙ ФУТЕРОВКИ
ВИБРОПИТАТЕЛЕЙ ПРИ ДОБЫЧЕ УРАНОВЫХ РУД
Аннотация. В статье рассматриваются преимущества использования резиновой футеровки на ра-
бочих плитах вибропитателей, причини их выхода из строя, а также расчёт оптимальной толщины ре-
зиновой футеровки.
Ключевые слова: урановая руда, вибропитатель, резиновая футеровка, разрушение футеровки
M.V. Stetsyuk, Doctoral Student, Engineer,
S.N. Lutsenko, Doctoral Student, Engineer
(IGTM NASU)
PROBLEMS OF VIBROPOWERS RUBBER LINING OPERATION IN THE EXTRACTION
OF URANIUM ORE
Abstract. The benefit of using a rubber lining at working plates of vibropowers, the reasons for their fail-
ure, as well as the calculation of the optimal thickness of the rubber lining are considered in the article.
Keywords: uranium ore, vibropower, rubber lining, fracture of the lining
На сегодняшний день Украина имеет 12 детально разведанных урановых
эндогенных месторождений с суммарными запасами, которые в состоянии обес-
печить потребности действующих АЭС Украины на 100 лет. При нынешней добыче
урана в 400 тонн планируется увеличение её до 1400 тонн в ближайшие три года
[1].
При добыче урановой руды следует учитывать не только особенности ме-
сторождения урановых руд (глубину залегания руды, высоту пласта и т.д.), но и
оборудование, используемое при добыче. Одним из способов доставки руды яв-
ляется механизированный способ. В механизированную доставку входят погрузка,
собственно доставка и разгрузка урановой руды. Иногда механизированная дос-
тавка включает в себя только погрузку в транспортные средства. Доставка руды от
места добычи непосредственно в вагоны электротранспорта осуществляется виб-
ропитателями. На рудниках, разрабатывающих урановые руды, довольно широко
© Стецюк М.В., Луценко С.Н., 2013
|