Экспериментальные исследования параметров систем гидравлических вибраторов при управлении состоянием угольного пласта через вмещающие породы
Автор: Житлнок Дмитрий Моисеевич, Крышнв Артм Станиславович
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Статья в выпуске: 2, 2013 года.
Бесплатный доступ
В статье представлены результаты экспериментальных исследований систем гидравлических вибраторов при вибрационном воздействии на угольный пласт через вмещающие породы. Установлены основные пара- метры процесса воздействия - амплитуда и частота импульса.
Система вибраторов, вибрационное воздействие, горный массив, давление, импульс, амплитуда, частота, сдвиг по фазе
Короткий адрес: https://sciup.org/140215715
IDR: 140215715
Текст научной статьи Экспериментальные исследования параметров систем гидравлических вибраторов при управлении состоянием угольного пласта через вмещающие породы
Исследование характеристик работы систем вибраторов проводилось на лабораторном стенде [1] в соответствии с разработанной и утвержденной методикой испытаний.
Основными задачами эксперементальных исследований являются:
-
1) выбор наиболее приемлемой конструктивной схемы системы гидравлических вибраторов для установления параметров вибрационнонго воздействия на массив горных пород;
-
2) исследование систем вибрационного воздействия на массив горных пород с целью определения их параметров;
-
3) подтвержение принципиальной возможности использования гидростоек механизированной крепи в качестве генератора колебаний для вибрационного воздействия на угольный пласт через вмещающие породы с целью его разупрочнения и разрушения.
Решение этих задач дает возможность разработать средства воздействия на массив горных пород, что позволяет провести горноэкспериментальные работы по разупрочнению и разрушению угольного пласта через вмещающие породы в шахтных условиях.
Испытания проводились на трех и двух гидростойках.
Фрагменты осциллограмм представлены на рис. 1 и 2, а полученные при обработке осциллограмм данные сведены в табл. 1 и 2. На основании их построены графики зависимости изменения давления в поршневых полостях гидростоек от частоты колебаний при различных начальных условиях, представленных на рис. 3 – 5.
Рис. 1. Фрагмент осциллограммы испытания системы вибраторов, рабо- тающих в непрерывном режиме
Рис. 2. Фрагмент осциллограммы испытания системы вибраторов, работающих в импульсном режиме
Таблица 1.
Изменение давления в поршневых полостях трех гидростоек в зависимости от начального давления, начального объема и частоты колебаний поршня.
|
№ стой ки |
Частота колебаний поршня, f, Гц |
Давление в гидростойке, Р , МПа |
Изменение давления в гидростойке, ∆ Р , МПа |
Начальные условия |
||
|
min |
max |
Давление в стойке, Р 0 , МПа |
Объем поршневой полости стойки, V 0 , м3 |
|||
|
1 |
1,20 |
2,69 |
6,85 |
4,16 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
1,20 |
2,34 |
7,12 |
4,78 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
1,20 |
2,15 |
7,93 |
5,78 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
1,50 |
2,58 |
6,03 |
3,45 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
1,50 |
2,28 |
6,18 |
3,90 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
1,50 |
2,03 |
7,12 |
5,09 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
2,00 |
2,83 |
5,64 |
2,81 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
2,00 |
2,58 |
5,98 |
3,40 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
2,00 |
2,03 |
6,45 |
4,42 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
3,00 |
2,67 |
4,80 |
2,13 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
3,00 |
2,28 |
4,93 |
2,65 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
3,00 |
2,01 |
5,76 |
3,75 |
8,00 |
0,00095 |
Продолжение табл. 1.
|
№ стой ки |
Частота колебаний поршня, f, Гц |
Давление в гидростойке, Р , МПа |
Изменение давления в гидростойке, ∆ Р , МПа |
Начальные условия |
||
|
min |
max |
Давление в стойке, Р 0 , МПа |
Объем поршневой полости стойки, V 0, м3 |
|||
|
1 |
3,50 |
2,49 |
4,52 |
2,03 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
3,50 |
2,19 |
4,61 |
2,42 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
3,50 |
1,64 |
5,14 |
3,50 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
4,00 |
2,76 |
4,48 |
1,72 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
4,00 |
2,33 |
4,57 |
2,24 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
4,00 |
1,89 |
5,10 |
3,21 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
4,50 |
2,39 |
4,02 |
1,63 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
4,50 |
2,15 |
4,28 |
2,13 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
4,50 |
1,84 |
4,92 |
3,08 |
8,00 |
0,00095 |
|
1 |
5,50 |
2,07 |
3,65 |
1,58 |
8,00 |
0,00095 |
|
2 |
5,50 |
1,95 |
3,81 |
1,86 |
8,00 |
0,00095 |
|
3 |
5,50 |
2,12 |
4,89 |
2,77 |
8,00 |
0,00095 |
Таблица 2.
Изменение давления в поршневой полости двух гидростоек в зависимости от начального давления, начального объема и частоты колебаний поршня.
|
№ стой ки |
Частота колебаний поршня, f, Гц |
Давление в гидростойке, Р , МПа |
Изменение давления в гидростойке, ∆ Р , МПа |
Начальные условия |
||
|
min |
max |
Давление в стойке, Р 0 , МПа |
Объем поршневой полости стойки, V 0, м3 |
|||
|
1 |
2,00 |
3,95 |
7,00 |
3,05 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
2,00 |
0,94 |
3,22 |
2,28 |
7,50 |
0,00207 |
|
1 |
3,00 |
3,68 |
6,11 |
2,43 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
3,00 |
0,85 |
2,52 |
1,67 |
7,50 |
0,00207 |
|
1 |
4,00 |
3,56 |
5,59 |
2,03 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
4,00 |
0,63 |
1,93 |
1,30 |
7,50 |
0,00207 |
|
1 |
5,00 |
3,27 |
5,07 |
1,80 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
5,00 |
0,42 |
1,72 |
1,30 |
7,50 |
0,00207 |
|
1 |
5,75 |
3,27 |
4,84 |
1,57 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
5,75 |
0,29 |
1,54 |
1,25 |
7,50 |
0,00207 |
|
1 |
6,05 |
3,74 |
5,21 |
1,57 |
7,50 |
0,00207 |
|
2 |
6,05 |
0,58 |
1,83 |
1,35 |
7,50 |
0,00207 |
Продолжение табл. 2.
|
№ стой ки |
Частота колебаний поршня, f, Гц |
Давление в гидростойке, Р , МПа |
Изменение давления в гидростойке, ∆ Р , МПа |
Начальные условия |
||
|
min |
max |
Давление в стойке, Р 0 , МПа |
Объем поршневой полости стойки, V 0 , м3 |
|||
|
1 |
2,75 |
5,02 |
10,99 |
5,97 |
11,00 |
0,00207 |
|
2 |
2,75 |
2,00 |
7,28 |
5,28 |
11,00 |
0,00207 |
|
1 |
3,75 |
5,02 |
9,65 |
4,63 |
11,00 |
0,00207 |
|
2 |
3,75 |
2,11 |
6,03 |
3,92 |
11,00 |
0,00207 |
|
1 |
4,75 |
5,43 |
9,23 |
3,80 |
11,00 |
0,00207 |
|
2 |
4,75 |
2,42 |
5,57 |
3,15 |
11,00 |
0,00207 |
|
1 |
5,25 |
1,58 |
5,11 |
3,53 |
11,00 |
0,00207 |
|
2 |
5,25 |
0,00 |
2,70 |
2,70 |
11,00 |
0,00207 |
|
1 |
6,00 |
1,65 |
5,02 |
3,37 |
11,00 |
0,00207 |
|
2 |
6,00 |
0,22 |
2,84 |
2,62 |
11,00 |
0,00207 |
|
1 |
1,20 |
5,94 |
12,30 |
6,36 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
1,20 |
6,64 |
12,51 |
5,87 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
1,50 |
5,74 |
10,88 |
5,14 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
1,50 |
7,02 |
11,45 |
4,43 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
1,70 |
5,53 |
10,86 |
5,33 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
1,70 |
7,22 |
11,17 |
3,95 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
2,00 |
5,53 |
10,15 |
4,62 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
2,00 |
6,76 |
10,44 |
3,68 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
2,20 |
5,53 |
10,04 |
4,51 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
2,20 |
6,99 |
10,21 |
3,22 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
2,70 |
5,53 |
9,63 |
4,10 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
2,70 |
6,53 |
9,52 |
2,99 |
13,00 |
0,00142 |
|
1 |
3,20 |
4,92 |
8,61 |
3,69 |
13,00 |
0,00142 |
|
2 |
3,20 |
5,84 |
8,37 |
2,53 |
13,00 |
0,00142 |
Анализ графика на рис. 3 для трех гидростоек подтверждает, что с увеличением частоты колебаний уменьшается изменение давления в поршневых полостях гидростоек, что соответствует проведенным теоретическим исследованиям. Так при частоте колебаний штока f = 1,2 Гц среднее значение изменения давления в гидростойках составляет 4,9 МПа, а при f = 5,5 Гц – 2,1 МПа. Максимальная частота колебаний поршней трех стоек составила 5,5 Гц.
1 - гидростойка №1, 2 - гидростойка №2, 3 - гидростойка №3.
Рис. 3. Изменение давления в поршневых полостях от частоты колебаний для трех гидростоек.
Кривые описываются следующими логарифмическими уравнениями: для гидростойки №1 Pf ) = -1,92ln f )+5,928 c достоверностью аппроксимации R 2=0,99; для гидростойки №2 P(f) = -1,83ln( f )+4,804 c достоверностью аппроксимации R 2=0,97; для гидростойки №3 P(f) = -1,7ln f )+4,189 c достоверностью аппроксимации R 2=0,96.
Были рассмотрены зависимости изменения давления от частоты колебаний поршня при работе двух гидростоек, их анализ показывает, что характер установленных зависимостей аналогичен полученным для системы из трех гидростоек. При уменьшении проходного сечения в сливной магистрали наблюдается смещение точки отсчета амплитуды давления в сторону ее увеличения. Определено, что при увеличении давления возрастает создаваемое системой вибраторов усилие воздействия, максимальная величина которого составляла при Р = 13 МПа для системы из двух гидростоек ~710 кН и при P = 8,0 МПа для системы вибраторов их трех гидростоек ~600 кН
Графики зависимости изменения давления в поршневих полостях гидростоек по средним значениям результатов экпериментальных исследований приведены на рис. 4.
Кривые описываются следующими логарифмическими уравнениями:
-
- кривая 1 P ( f ) = -1,1ln( f )+3,331 c достоверностью аппроксимации R 2=0,96;
-
- кривая 2 P ( f ) = -2,82ln( f )+6,237 c достоверностью аппроксимации R 2=0,94;
-
- кривая 3 P ( f ) = -3,49ln( f )+9,024 c достоверностью аппроксимации
R 2=0,98;
-
- кривая 4 P ( f ) = -1,81ln( f )+4,974 c достоверностью аппроксимации
R 2=0,98.
1 – две гидростойки при V 0 =0,00207 м3 и P 0 =7,5 МПа;
2 – две гидростойки при V 0 =0,00207 м3 и P 0 =11,0 МПа;
3 – две гидростойки при V 0 =0,00142 м3 и P 0 =13,0 МПа;
4 – три гидростойки при V 0 =0,00095 м3 и P 0 =8,0 МПа
Рис. 4. Зависимость средних значений изменения давления в поршневых полостях от частоты колебаний для двух и трех гидростоек при различных начальных условиях
При анализе осциллограмм установлена синхронность и сдвиг по фазе вынужденных колебаний поршней гидростоек. Сдвиг по фазе с повышением частоты колебаний поршней увеличивается ся = 3° при f = 1 Гц до ϕ = 26° при f = 6,5 Гц. На сдвиг по фазе оказывает влияние разность потерь давления на сопротивления трубопроводов после гидрораспределителя.
После проведения испытаний системы вибраторов в непрерывном режиме была проверена работоспособность системы в импульсном режиме. Вначале были проведены испытания системы с ручным управлением. При этом были получены частотно-амплитудные характеристики, время сброса давления жидкости, определена синхронность работы гидростоек.
При обработке осциллограмм получены данные изменения давления в поршневых полостях гидростоек, представленные в табл. 3, и построен график зависимости изменения давления от времени, представленный на рис. 5.
Таблица 3.
Изменение давления в поршневой полости гидростойки в зависимости от времени.
|
Давление в гидростойке, Р , МПа |
Изменение давления в гидростойке, ∆ Р , МПа |
Время спада давления в гидростойке, t , с |
|
|
min |
max |
||
|
18,50 |
0,00 |
18,50 |
0,18 |
|
12,00 |
0,00 |
12,00 |
0,12 |
|
12,00 |
0,00 |
12,00 |
0,20 |
|
12,00 |
0,00 |
12,00 |
0,13 |
|
19,00 |
0,00 |
19,00 |
0,20 |
|
12,00 |
0,00 |
12,00 |
0,18 |
|
18,50 |
0,00 |
18,50 |
0,20 |
|
11,50 |
0,00 |
11,50 |
0,11 |
|
19,00 |
0,00 |
19,00 |
0,22 |
|
11,00 |
0,00 |
11,00 |
0,15 |
|
19,50 |
0,00 |
19,50 |
0,21 |
|
12,50 |
0,00 |
12,50 |
0,13 |
|
18,00 |
0,00 |
18,00 |
0,17 |
|
13,00 |
0,00 |
13,00 |
0,14 |
|
19,70 |
0,00 |
19,70 |
0,21 |
|
13,50 |
0,00 |
13,50 |
0,15 |
|
20,00 |
0,00 |
20,00 |
0,19 |
|
14,00 |
0,00 |
14,00 |
0,15 |
|
18,50 |
0,00 |
18,50 |
0,20 |
|
11,00 |
0,00 |
11,00 |
0,10 |
Анализируя полученную зависимость, установлено, что максимальиая амплитуда колебаний давления составляет 15 МПа, время нарастания импульса от нуля до максимума 7-9 с, а время спада 0,10-0,15 с. Минимальный период повторения импульсов равен 15-20 с. Отсюда частота следования импульсов f = 0,06 Гц. Форма импульса треугольная.
При анализе осциллограмм, полученных при испытании системы вибраторов из трех стоек, установлена синхронность их работы при частоте следования импульсов f = 0,05 Гц. Сдвиг по фазе вынужденных колебаний поршней гидростоек составлял ф = 5°. На это оказывает влияние разность усилия срабатывания пружин основных клапанов гидрозамков.
Рис. 5. Зависимость изменения давления в поршневых полостях гидростоек от времени.
Максимальное усилие воздействия, создаваемое системой вибраторов из трех гидростоек, составило 900 кН.
При проведении испытаний существенных неполадок в работе системы вибраторов не возникало. Это говорит о высокой надежности системы.
На экспериментальной установке были определены и характеристики работы системы вибраторов в импульсном режиме с автоматическим управлением [2].
Полученные данные идентичны характеристикам работы системы вибраторов в импульсном режиме с ручным управлением. Период следования импульсов составлял 15-20 с.
В результате проведенных лабораторных исследований по установлению основных параметров систем вибраторов можно сформулировать следующие основные выводы:
-
1) испытания системы вибраторов в импульсном режиме работы показали преимущества перед системой, работающей в непрерывном режиме и доказали принципиальную возможность ее использования в качество средства импульсного и волнового воздействия на горный массив;
-
2) установлены основные параметры процесса вибрационного воздействия: амплитута и частота импульса.
система вибраторов, вибрационное воздействие, горный массив, давление, импульс, амплитуда, частота, сдвиг по фазе system of vibrators, vibrating influence, hills, pressure, impulse, amplitude, frequency, phase lag
Список литературы Экспериментальные исследования параметров систем гидравлических вибраторов при управлении состоянием угольного пласта через вмещающие породы
- Софийский К.К. Гидравлический вибратор для управления состоянием горного массива./К.К. Софийский, А.С. Попырин, В.А. Нечитайло, В.И. Чаплыгин. -М.:663 -9 с. -Библиограф. С.8. -Деп. в ВИНИТИ 01.09.83, № 4945 -83.
- Крышнев А.С. Результаты лабораторных исследований параметров систем гидравлических вибраторов при вибрационном воздействии на угольный пласт через вмещающие породы./Сб. «Геотехническая механика», 2012. -№101. -С. 269-277.
