Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производстве
На правах рукописи
Головин Константин Александрович
Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производстве
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Тула – 2007
Работа выполнена на кафедре «Геотехнологий и геотехники» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Бреннер Владимир Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ушаков Леонид Семенович
ГОУ ВПО ОрёлГТУ
доктор технических наук, профессор
Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич
ГОУ ВПО СПбГГИ (ТУ)
им. Г.В. Плеханова
доктор технических наук, профессор
Сидоров Петр Григорьевич
ГОУ ВПО ТулГУ
Ведущая организация – ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского
Защита состоится 7 ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г.Тула, пр. Ленина, 90, ауд. 6-311).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТулГУ.
Автореферат разослан «1» октября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета А.Е. Пушкарев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время при проходке и поддержании подземных выработок, строительстве подземных сооружений, ведении открытых горных работ и т. д. в неустойчивых горных породах используются известные способы, позволяющие повысить прочность и устойчивость горных пород, а также частично или полностью устранить приток воды. К таким способам относятся: искусственное замораживание горных пород, закрепление их связывающими растворами, химическое и электрохимическое закрепление горных пород, водопонижение, а также специальные способы проходки горных выработок, например, кессонный. Общими недостаткам этих способов закрепления неустойчивых горных пород помимо, главным образом, низкой надежности и производительности являются также значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы.
Между тем, в последнее время на рынке машиностроительной техники, главным образом за рубежом (Япония Италия и Англия), появилось большое количество оборудования, использующего для закрепления в основном грунтов способ гидроструйной цементации (ГСЦ) при строительстве оснований и фундаментов, возведении свай и т.д. Сущность ГСЦ горных пород (Jеt grouting) заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в породный массив и вращающейся в плоскости перпендикулярной оси предварительно пробуриваемой до проектной отметки скважины с одновременным перемещением вдоль этой оси обратным ходом до следующей проектной отметки без создания в массиве избыточного давления. В результате разрушения и перемешивания горной породы суспензионной струей формируется закрепленный породный массив цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала – породобетона. Необходимо отметить, что ГСЦ позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных горных пород как природного, так и техногенного происхождения. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в последнее десятилетие способ ГСЦ горных пород и основанные на нем технологии мгновенно распространились по всему миру, однако практически минуя при этом горную промышленность.
В силу своей новизны и коммерческой ценности, результаты научных исследований, посвященных установлению закономерностей закрепления горных пород способом ГСЦ, в открытой печати практически не публикуются, а существующие технологические и конструктивные решения ГСЦ грунтов имеют специфику, характерную, прежде всего, для строительной отрасли и не могут в имеющемся виде быть использованы при проектировании горного оборудования. Производство же специальных буровых установок для реализации технологии ГСЦ неустойчивых пород для нужд горной промышленности в России в настоящее время отсутствует. Объясняется это следующими причинами. Представления о механизме ГСЦ горных пород противоречивы и не имеют достаточного обоснования. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров и установлению обобщающих зависимостей для определения показателей процесса ГСЦ горных пород, которые позволили бы разработать методику расчета соответствующего оборудования. Кроме того, для реализации технологии ГСЦ помимо базовой машины и насосного агрегата, требуются исследования и разработка специального оборудования, а именно буровых ставов и их элементов (гидросъемника – устройства, предназначенного для передачи высоконапорного суспензионного потока от неподвижного подводящего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны, буровых штанг и гидромонитора), а также автоматической системы управления (АСУ) процессом ГСЦ горных пород.
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных исследований, направленных на обоснование параметров и создание оборудования для ГСЦ неустойчивых пород в горном производстве, и определяет актуальность работы.
Работа выполнялась в рамках государственного контракта 65-К-9/2209 «Разработка буровой установки для возведения высоконагруженных грунтобетонных свай».
Цель работы. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород на основе установленных закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями, что обеспечивает повышение эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ.
Идея работы заключается в использовании эффекта повышения прочности и устойчивости горных пород в массиве путем разрушения и перемешивания их высокоскоростными водоцементными струями и создании на основе установленных закономерностей, и при рациональных параметрах этого процесса эффективного оборудования для закрепления неустойчивых пород с учетом специфики горного производства.
Работа соответствует шифру специальности 05.05.06 – Горные машины, ее формуле, а также пунктам «Изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды», «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов», «Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями» области исследования.
Метод исследования – комплексный, включающий научный анализ и обобщение способов и средств для закрепления неустойчивых горных пород; обобщение опыта эксплуатации оборудования для получения высокоскоростных струй и результатов работ по ГСЦ неустойчивых горных пород; теоретические исследования на базе математического моделирования и численных экспериментов процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом; экспериментальные исследования процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с использованием разработанных буровых ставов в стендовых и промышленных условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
1. Основным показателем физико-технических свойств породного массива, определяющим процесс ГСЦ неустойчивых горных пород, является коэффициент сцепления, имеющий тесную корреляционную связь с диаметром закрепляемого породного массива.
2. Разработан метод математического описания процесса взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом, основанный на представлении горных пород как пластической среды, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора и позволяющий прогнозировать результаты ГСЦ пород для различных условий и описать механизм проникновения струи в массив как последовательного отделения (сдвига) слоёв породы под действием гидродинамического давления на площади поверхности контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления и трения вдоль поверхности сдвига.
3. Установлены закономерности процесса ГСЦ неустойчивых горных пород с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструмента, а также коэффициента сцепления горных пород, обеспечивающие обоснование показателей и режимов работы буровых ставов.
4. Существует рациональная с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива скорость перемещения буровой колонны, которая в свою очередь зависит от частоты ее вращения и диаметра отверстия струеформирующей насадки.
5. При бурении пилотной скважины на буровом инструменте следует осуществлять мониторинг крутящего момента, имеющего тесную корреляционную связь с коэффициентом сцепления горных пород. На этом основании при обратном ходе буровой колонны по мере изменения коэффициента сцепления необходимо корректировать режимные параметры в соответствии с установленными закономерностями процесса ГСЦ горных пород в области минимальных удельных энергозатрат для обеспечения гарантированого качества закрепляемого массива требуемой формы в виде тела вращения и прочности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств измерений и методов исследований; корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 – 0,99); удоволетворительной сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов (отклонение не превышает 22,5 %); опытом использования методики расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Научное значение работы заключается в развитии теории взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом и установлении основных закономерностей процесса ГСЦ неустойчивых горных пород, а также разработке на этой основе методов расчета соответствующего оборудования, позволяющих находить его рациональное сочетание, выбирать и оптимизировать параметры, управлять ими, определять рациональные режимы работы и условия применения в горном производстве.
Практическое значение работы:
- разработана конструкция экспериментального стенда, обеспечивающего исследование процесса ГСЦ горных пород в широком диапазоне изменения режимных параметров;
- получена расчетная зависимость для определения диаметра закрепляемого породного массива, учитывающая конструктивные и режимные параметры технологического инструмента, а также прочностные свойства горных пород;
- получена расчетная зависимость для определения рациональной скорости перемещения буровой колонны при ГСЦ неустойчивых горных пород с учетом частоты ее вращения и диаметра отверстия струеформирующей насадки;
- разработаны конструкции узлов бурового става: гидросъемников, буровых штанг и гидромониторов, обеспечивающих возможность реализации технологии ГСЦ горных пород;
- разработан типоразмерный ряд водоцементных насосных установок по мощности привода от 50 до 420 кВт и соответствующий ему параметрический ряд буровых ставов по давлению водоцементной суспензии от 40 до
60 МПа с учетом диаметра отверстия струеформирующей насадки;
- установлены значения экономически целесообразного проходного сечения буровых ставов в соответствии с мощностью привода применяемого насосного оборудования;
- разработана и предложена принципиальная схема работы АСУ процессом ГСЦ неустойчивых горных пород;
- создан экспериментальный образец бурового станка СГСЦ-1, оснащенный АСУ процессом ГСЦ горных пород,
- разработана и реализована на персональном компьютере инженерная методика расчета.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований, изложенные в диссертации, включены в 3 научных отчета по хоздоговорным и госбюджетным темам, выполненным на основании заказов от Администрации Тульской области, Тульского регионального отделения Академии горных наук (ТРО АГН). Материалы диссертационной работы в виде рекомендаций и инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования, а также пакеты прикладных программ по математическому моделированию процесса ГСЦ неустойчивых горных пород и методики расчета переданы ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, г. Москва, ОАО НВСП «Техпрогресс», г. Санкт-Петербург, и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» (СМЗ) и использованы при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов оборудования для реализации технологии ГСЦ неустойчивых горных пород.
Опытные образцы буровых ставов прошли промышленные испытания на ОАО НВСП «Техпрогресс» и приняты к производству на ООО «СМЗ». Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий ТулГУ.
Результаты работы также использованы ТРО АГН и ООО «СМЗ» при создании гидромеханических исполнительных органов и универсальной системы высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП-21.
Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Бурильные машины и установки» для студентов ТулГУ, обучающихся по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование», а также «Гидроструйные технологии и оборудование» и «Основы проектирования горных машин и оборудования» для студентов ТулГУ, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование». Пакеты расчетных программ используются при курсовом и дипломном проектировании, а также подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на 1-ой международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Тула, 1997 г.), 5-ой международной конференции стран Тихоокеанского региона «Водоструйные технологии» (г. Дели, Индия, 1998 г.), 14-ой интернациональной конференции «Струйные технологии» (г. Брюгге, Бельгия, 1998 г.), международной конференции «Новые применения водоструйной технологии» (г. Исиномаки, Япония, 1999 г.), научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». (г. Тула, 2000 г.), 2-ой Международной конференции по проблемам рационального природопользования. (г. Тула, 2002 г.), 3-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна» (г. Тула, 2002 г.), 4-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем» (г. Тула, 2002 г.), 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики (г. Тула, 2003 г.),научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 2004-2007 гг.), технических советах ОАО НВСП «Техпрогресс» (г. Санкт-Петербург 2004-2007 гг.), и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» (г. Тула, 2004-2007 гг.), международных конференциях «Гидроструйные технологии» (2003, 2006 гг.), научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005, 2006, 2007 гг.), 2-ом и 3- ем международном северном социально-экологическом конгрессе «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2006,
2007 гг.), III-ем международном научном симпозиуме (г. Орел, 2006 г.),. IV семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (г. Кемерово, 2007 г.),
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 статьи, одна монография и получен патент РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов и заключения, изложенных на 260 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 34 таблицы, список использованной литературы из 228 наименования и 5 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Известно, что подземные и открытые горные работы существенно осложняются, в случае если они проводятся в неустойчивых и обводненных горных породах. Традиционной технологией ведения работ предусматривается отвод воды от забоя по дренажным канавам или откачка с помощью насосов. Большие трудности проявляются, например, при проходке стволов или наклонных горных выработок, где отвод воды от забоя по уклону невозможен, а устройство зумпфов (колодцев) для откачки воды насосами затруднено. Для преодоления участков со сложными гидрогеологическими условиями необходимо обеспечить стабилизацию горных пород в забое или исключить попадание воды в подземные выработки. Применение же специальных способов и средств закрепления неустойчивых и обводненных горных пород позволяет изменить их физико-технические свойства, повысить прочность и устойчивость пород, а также частично или полностью устранить приток воды. К числу таких специальных способов относятся: искусственное замораживание горных пород; водопонижение; закрепление горных пород связывающими растворами; химическое (силикатизация, смолизация и битумизация) и электрохимическое закрепление горных пород и др. При этом используются буровая техника, холодильные установки, насосное и другое оборудование. К общим недостаткам этих способов ведения горных работ следует отнести низкую эффективность закрепления массивов, значительные материальные затраты и повышенные требования к обслуживающему персоналу, вызванные сложностью применяемого оборудования и опасными условиями работы. Более эффективной альтернативой этим способам закрепления породных массивов является способ ГСЦ горных пород.
Анализ результатов исследований, выполненных И.И. Бройдом, Л.И. Малышевым, М.Ф. Хасиным, C.S. Covil, G. Guatteri, T. Yahiro, H. Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ горных пород является наиболее прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и неустойчивых пород для последующей проходки и поддержания горных выработок, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных завес, укрепления откосов при ведении открытых горных работ.
Процесс ГСЦ горных пород сводится к следующему (рис. 1). На первом этапе специально оборудованной под ГСЦ буровой установкой бурится пилотная скважина заданного диаметра (см. рис. 1, а). Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с промывкой цементным или глинистым раствором под давлением, не превышающим 5 МПа. Промывочная жидкость подается непосредственно в буровой инструмент. На следующем этапе (см. рис. 1, б) насосной установкой высокого давления (на рис. 1 не показана) к струеформирующей насадке подается водоцементный раствор под давлением 40 - 60 МПа. При этом автоматически перекрывается канал промывки, и открывается канал питания струеформирующей насадки (или насадок, если их несколько) диаметром 0,8 – 3 мм. Причем насадка ориентирована таким образом, чтобы истекающая струя была направлена перпендикулярно оси буровой колонны. Включается вращение буровой колонны и начинается ее перемещение до заданной отметки (см. рис. 1, в). В результате происходит разрушение и перемешивание породы за счет высокой кинетической энергией водоцементной струи. Таким образом, формируется массив закрепленной горной породы цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала – породобетона.
К преимуществам технологии ГСЦ по сравнению с известными технологиями упрочнения неустойчивых горных пород можно отнести следующие:
- обеспечение долговременного характера закрепления массива после снятия закрепляющего воздействия по сравнению с самым распространенным способом – замораживанием;
- высокая скорость выполнения работ по закреплению массива;
- принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных подземных условиях (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную буровую установку, а весь цементировочный комплекс может располагаться на некотором удалении, например, в капитальной горной выработке);
Рис. 1. Технологическая последовательность получения закрепленного массива способом ГСЦ:
а - бурение пилотной скважины; б – разрушение и перемешивание горной породы водоцементной суспензионной струей; в - извлечение буровой колонны из закрепленного массива: 1 – базовая буровая установка; 2 – буровой став; 3 – буровой инструмент; 4 – породный массив неустойчивых горных пород; 5 – закрепленный породный массив; 6 – горная выработка
- возможность закрепления любого исходного массива неустойчивой горной породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;
- отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями, вблизи других горных выработок);
- чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления горных пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты, количество материалов и стоимость работ).
Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по ГСЦ горных пород состоит из источника водоцементной суспензии высокого давления и буровой установки со специализированным навесным оборудованием.
Источник водоцементной суспензии высокого давления, в свою очередь, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления; миксерную станцию и силос для хранения цемента, которые объединяются при помощи системы трубопроводов. Насосное оборудование, полностью отвечающее требуемым технологическим параметрам, на сегодняшний день выпускается серийно как отечественной, так и зарубежной промышленностью.
В качестве базовой буровой установки наиболее подходящими образцами, на наш взгляд, являются машины СБГ-3 и СБГ-3321, производства ООО «СМЗ».
Однако технология ГСЦ неустойчивых пород не нашла пока широкого применения в горной промышленности, поскольку производство буровых станков со специализированным навесным оборудованием, габаритные, массовые и другие характеристики которых позволяли бы эффективно применять их в подземных условиях, в России в настоящее время не налажено. И вот почему:
- механизм и закономерности процесса ГСЦ горных пород практически не изучены;
- не разработаны буровые ставы, включающие в себя следующие основные элементы: гидросъемник, обеспечивающий подачу водоцементной суспензии от насосного блока во вращающуюся буровую колонну; линейные секции става (буровые штанги), обеспечивающие подачу суспензии к монитору и передачу осевого усилия и крутящего момента от вращателя станка к буровому инструменту; и гидромонитор, оснащенный струеформирующей насадкой, служащей для формирования высокоскоростной суспензионной струи и предназначенной для разрушения и перемешивания горных пород;
- отсутствуют обоснованные рекомендации по разработке и созданию буровых ставов и их элементов для осуществления ГСЦ горных пород;
- не выработаны научно-обоснованные рекомендации по определению рациональных режимов работы оборудования;
- не разработана АСУ перемещения буровой колонны с заданной скоростью для обеспечения гарантированого качества работ по устройству закрепляемого массива требуемой формы в виде тела вращения без разрывов и необходимым содержанием цемента в единице объема породы;
- отсутствует инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Кроме того, осуществление мероприятий по обоснованному сокращению номенклатуры применяемых насосных установок предопределяет необходимость разработки типоразмерного и параметрического рядов машин для ГСЦ горных пород.
На основании изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:
1. Разработка математической модели процесса ГСЦ неустойчивых горных пород на основе современных представлений о разрушении материалов затопленными струями, обеспечивающей раскрытие механизма и установление его закономерностей.
2. Разработка методических основ и создание экспериментальной базы для проведения исследований процесса и средств ГСЦ горных пород.
3. Проведение экспериментальных исследований процесса ГСЦ горных пород, включающих:
- установление закономерностей влияния конструктивных и режимных параметров, а также физико-технических свойств горных пород на показатели процесса формирования закрепляемого массива горных пород при ГСЦ;
- получение расчетной зависимости для определения диаметра закрепляемого массива;
- установление рациональных параметров процесса ГСЦ горных пород.
4. Разработка и проведение экспериментальных исследований буровых ставов и их элементов для реализации технологии ГСЦ горных пород, включающих:
- разработку параметрического и типоразмерного рядов буровых ставов и источников высокого давления водоцементной суспензии;
- разработку элементов буровых ставов (гидросъемника, буровых штанг и гидромонитора) и проведение их испытаний.
5. Разработка АСУ процессом ГСЦ горных пород.
6. Создание станка для ГСЦ и проведение его испытаний.
7. Разработка инженерной методики расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ горных пород, являются (рис. 2):
- конструктивные: диаметр пилотной скважины 
, коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку 
, диаметр отверстия струеформируещей насадки 
;
- режимные: плотность водоцементной суспензии , скорость перемещения буровой колонны 
, частота вращения буровой колонны 
, давление водоцементной суспензии 
;
- физико-технические свойства горных пород.
В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ горных пород были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого породного массива 
, скорость приращения объема закрепляемого породного массива 
(производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ горных пород.
Рис. 2. Схема ГСЦ горных пород:
1 – буровая колонна; 2 – струеформирующая насадка; 3 – водоцементная суспензионная струя; 4 – механический буровой инструмент; 5 – породобетон; 6 – закрепляемый исходный массив
Анализ результатов исследований, выполненных Г.Н. Абрамовичем, В.Е. Бафталовским, В.А. Бреннером, Ю.А. Гольдиным, А.Б. Жабиным, И.М. Коноваловым, Н.К. Кузьмичем, И.М. Лавитом, В.Г. Мерзляковым, Г.А. Нурок, А.Е. Пушкаревым С.С. Шавловским, и др. учеными, позволил выявить основные положения теории и практики применения гидравлических струй как угле- и породоразрушающего инструмента в процессах гидроструйных технологий в горном производстве. В соответствии с принятой классификацией высокоскоростная водоцементная струя с учетом присущих ей особенностей при ГСЦ неустойчивых горных пород является затопленной струёй, осуществляющей свою работу по разрушению в условиях среды близкой плотности. В связи с этим при математическом описании процесса ГСЦ неустойчивых горных пород было принято допущение о равенстве плотности водоцементной струи и плотности среды. Исходя из этого, гидродинамические параметры водоцементной струи определяются следующим образом (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная схема взаимодействия водоцементной суспензионной струи с породным массивом:
1 – буровой став; 2 – водоцементная струя; 3 – исходный породный массив; 4 – закрепленный породный массив; R1 – радиус цементируемого породного массива, м;
l0 - расстояние от среза струеформирующей насадки до поверхности массива, м;
h – глубина разрушения массива, м; S – площадь контакта струи с массивом, м2;
Dм – диаметр монитора, м
Скорость по оси водоцементной струи, м/с, определяется по формуле
, (1)
где li – расстояние от струеформирующей насадки до произвольной точки на оси струи, м; v0 – скорость на срезе насадки, м/с; d0 – диаметр отверстия струеформирующей насадки, м.
Скорость в произвольной точке струи, м/с, определяется из выражения
, (2)
где r – расстояние по нормали от оси струи до рассматриваемой точки, м.
Диаметр струи, м, рассчитывают по зависимости
, (3)
Угол разлёта струи, град, находится по формуле
. (4)
где l = l0 + h – глубина проникновения, м
Формулы (1) - (4) получены путем адаптации к условиям ГСЦ неустойчивых горных пород известных и получивших экспериментальное подтверждение аналитических выкладок Г.Н. Абрамовича. При этом разрушение породного массива происходит в результате последовательного отделения (сдвига) слоёв породы под действием гидродинамического давления на площади поверхности контактного взаимодействия струи с массивом, преодолевающего силы сцепления Fсц и трения Fтр вдоль поверхности сдвига.
Расчет силы воздействия струи осуществляется по зависимости
, (5)
где Р – давление на выходе из струеформирующей насадки, МПа; m - плотность горной породы в массиве, кг/см3.
Математическое описание разрушения породного массива при его ГСЦ основано на представлении массива горных пород в виде пластической модели, базирующейся на теории прочности Кулона-Мора:
, (6)
где F = Fсц + Fтр – сила воздействия струи, Н; S – площадь контакта струи с массивом, м2; С – коэффициент сцепления, МПа; – угол внутреннего трения; – касательные напряжения, МПа; n – нормальные напряжения, МПа.
Исходя из этого, условием разрушения является следующее соотношение:
, (7)
где – угол наклона касательной к поверхности разрушения (см. рис. 3).
Совместное решение соотношений (1), (3) и (7) с учетом равенства (4) позволяет рассчитать значение по всей длине линии сдвига, что однозначно определяет форму и объем разрушаемого слоя породного массива и позволяет оценить эффективность воздействия водоцементной струи при ГСЦ горных пород.
(8)
Решение системы уравнений (8) относительно l позволяет получить глубину проникновения водоцементной суспензионной струи в породный массив. Таким образом рассчитывается диаметр закрепляемого массива горных пород D = 2R1= 2l + Dм, м.
Для установления закономерностей процесса ГСЦ горных пород и проверки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования. Для этого была разработана специальная установка, с источником водоцементной суспензии высокого давления до
60 МПа, включающим в себя цементировочный насос, миксерную станцию и силос для хранения цемента. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для ГСЦ горных пород плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной = 2000 кг/см3. Образцы горных пород, в качестве которых использовались глина, суглинок, супесь, гравий и песок, с различными физико-техническими свойствами в специальных цилиндрических контейнерах крепились на столе установки. Стол приводился во вращение от электродвигателя при помощи планетарного редуктора и цепной передачи. Над поверхностью образа породы вдоль оси его вращения располагалась струеформирующая насадка с возможностью контролируемого перемещения в радиальном направлении. Для регистрации давления водоцементной суспензии стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманометра и измерительной станции на базе ПК. В исследованиях использовались струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода 
= 0,75.
Для обоснованного выбора показателя физико-технических свойств пород, определяющего процесс их ГСЦ, за основные характеристики этих свойств были приняты показатели, широко применяющиеся, в том числе, при размыве горных пород гидромониторными струями (табл. 1).
Таблица 1
| Наименование показателей | Исследуемые диапазоны варьирования |
| Коэффициент сцепления С, МПа | 0,006 – 0,064 |
| Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова | 0,3 – 1,0 |
| Пористость , % | 37 – 53 |
| Объемный вес , кг/м3 | 1690 – 1820 |
| Расчетное сопротивление Ro, кПа | 250 – 500 |
Установление показателя физико-технических свойств, определяющего процесс ГСЦ породного массива, проводилось с помощью метода парного корреляционного анализа, заключающегося в отыскании по результатам экспериментальных данных взаимосвязи диаметра закрепляемого породного массива D с каждым из показателей свойств в отдельности по зависимости вида у = Ах + В. В качестве критерия устойчивости связи был принят коэффициент корреляции R, а степень тесноты связи оценивалась по уровню коэффициента вариации Квар. Экспериментальные исследования влияния свойств горных пород на диаметр закрепляемого породного массива D проводились при давлении водоцементной суспензии 
50 МПа, диаметре отверстия струеформирующей насадки d0 = 0,0025 м, частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1 и скорости перемещения буровой колонны
V = 0,005 м/с.
Как показали результаты исследований, наилучшая корреляционная связь обнаружена при сопоставлении диаметра закрепляемого породного массива D с коэффициентом сцепления горных пород С. При этом с уменьшением С диаметр закрепляемого массива возрастает. По своей физической сущности коэффициент сцепления характеризует сопротивление сдвигу одного фрагмента горной породы относительно другого при отсутствии внешней нагрузки. Зависимость, выражающая связь диаметра закрепляемого породного массива D, м, с коэффициентом сцепления горных пород С, МПа, имеет вид
D = 1,55 – 13,74С. (9)
Коэффициент корреляции для выражения (9) составил R = 0,95, а коэффициент вариации Квар = 4,8 %. Поэтому в качестве показателя физико-технических свойств пород, определяющего процесс ГСЦ, рекомендуется использование коэффициента сцепления горных пород.
Полученный результат также подтверждает выдвинутое в ходе проведения теоретических исследований предположение о том, что основным показателем свойств горных пород, определяющим процесс ГСЦ и характеризующим механизм разрушения породного массива высокоскоростной водоцементной суспензионной струей, является коэффициент сцепления.
Влияние давления водоцементной суспензии на диаметр закрепляемого породного массива изучалось на образцах горных пород с
С = 0,006 – 0,064 МПа. Диаметр отверстия струеформирующей насадки
d0 = 0,0025 м, частота вращения буровой колонны n = 0,33 с-1 и скорость ее перемещения V = 0,005 м/с. Давление водоцементной суспензии 
= 40, 45, 50, 55 и 60 МПа. Установлено, что при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5 - 1,8 раза. Это объясняется тем, что при больших значениях 
водоцементная струя обладает большей скоростью истечения (более высокой кинетической энергией), приводящей к повышению глубины проникновения струи в породный массив, а следовательно, и диаметра закрепляемого массива.
Исследование влияния скорости перемещения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива проводились на образцах горных пород с
С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива осуществлялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1, давлении водоцементной суспензии 
= 50 МПа и диаметре отверстия струеформирующей насадки d0 = 0,0020; 0,0025 и 0,0030 м. Скорость перемещения V изменялась от 0,0017 до 0,0083 м/с.
Анализ зависимости D = f(V) показывает, что с увеличением скорости перемещения V в указанных пределах диаметр закрепляемого породного массива линейно уменьшается в 1,6 – 2,8 раза. При этом наибольшее уменьшение значений D соответствует породам с меньшим коэффициентом сцепления. Уменьшение диаметра закрепляемого массива происходит потому, что при возрастании скорости перемещения время воздействия водоцементной струи на единицу объема горной породы снижается, и как следствие, понижается глубина проникновения струи в массив.
Для определения влияния частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива проведены эксперименты на породах с
С = 0,006 – 0,064 МПа. Давление водоцементной суспензии 
= 50 МПа, диаметр отверстия струеформирующей насадки d0 = 0,0025 м, а скорость перемещения V = 0,005 м/с. Частота вращения n изменялась от 0,167 до 0,5 с-1.
Установлено, что диаметр закрепляемого массива уменьшается с увеличением частоты вращения по линейной зависимости. При изменении n в 3 раза значения D снижаются в 1,5 – 1,8 раза. Это связано с тем, что при возрастании частоты вращения время воздействия водоцементной струи на единицу объема горной породы уменьшается, а следовательно, снижается глубина проникновения струи и, соответственно, диаметр закрепляемого массива.
Влияние диаметра отверстия струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива исследовалось на образцах горных пород с
С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива выполнялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,33 с-1, скорости ее перемещения V = 0,005 м/с и давлении водоцементной суспензии 
МПа. В ходе экспериментов изменялся диаметр струеформирующей насадки 
от 0,002 до 0,003 м.
Анализ экспериментальных данных показывает, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра струеформирующей насадки по линейной зависимости. Увеличение диаметра струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива почти в 1,6 раза. Подобное явление объясняется тем, что при повышении диаметра отверстия насадки увеличивается длина активного участка струи, вызывающее возрастание глубины проникновения струи в горную породу. Кроме того, увеличивается расход водоцементной суспензии, а следовательно, повышается объем разрушаемой и перемешиваемой породы и, соответственно, диаметр закрепленного породного массива.
Экспериментальные исследования по установлению зависимостей скорости приращения объема закрепляемого массива 
и удельной энергоемкости процесса 
от параметров, определяющих процесс ГСЦ горных пород, а также коэффициента сцепления горных пород проводились на образцах с С = 0,006 – 0,064 МПа. Формирование закрепляемого массива осуществлялось при частоте вращения буровой колонны n = 0,17; 0,25 и 0,33 с-1 и диаметре отверстия насадки 
= 0,0020; 0,0025 и 0,030 м. Скорость перемещения V изменялась от 0,017 до 0,0083 м/с. Давление водоцементной суспензии 
50 МПа.
Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения буровой колонны вначале увеличивается, достигая своего максимума, а затем уменьшаться, а удельная энергоемкость процесса ГСЦ, наоборот, сначала уменьшается, достигая своего минимума, а потом возрастает, т. е. изменяются по зависимостям близким к параболическим. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива 
(минимальной энергоемкости процесса ГСЦ 
) соответствует рациональной скорости перемещения буровой колонны. Такой характер изменения показателей процесса 
и 
объясняется тем, что большему значению D соответствует меньшее значения V и, наоборот, большему значению V соответствует меньшее значение D. Поэтому произведение этих величин на границах исследованного диапазона изменения V меньше значений произведения в середине диапазона.
Установлено, что значения рациональной скорости перемещения буровой колонны с увеличением 
от 0,0020 до 0,0030 м возрастают в среднем в 1,3 раза и практически не зависят от коэффициента сцепления горных пород. Увеличение частоты вращения буровой колонны также приводит к возрастанию рациональной скорости ее перемещения, но гораздо в меньшей степени, а именно: при повышении частоты вращения от 0,17 до 0,33 с-1 значения рациональной скорости перемещения увеличиваются в 1,1 раза.
Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость рациональной скорости перемещения буровой колонны от диаметра струеформирующей насадки и частоты вращения буровой колонны:
Vрац = 0,16 d 0,55n 0,10. (10)
Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,97, а критерий Фишера F=46,7. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (10) при 5% уровне значимости составляет F0,05= 4,06, что подтверждает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил
Квар= 7,7%, что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ горных пород эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.
Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива 
зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения буровой колонны V, давление водоцементной суспензии 
, частота вращения буровой колонны 
, диаметр отверстия струеформирующей насадки 
, коэффициент сцепления С.
Кроме того, на процесс ГСЦ также оказывают влияние коэффициент расхода суспензии через насадку
, плотность водоцементной суспензии и диаметр пилотной скважины 
.
Таким образом, зависимость между диаметром закрепляемого массива и параметрами ГСЦ горных пород можно представить в виде
. (11)
Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр закрепляемого массива приводят к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не изменялась. К числу неизменяемых факторов относятся следующие: , 
и 
. С учетом постоянства этих факторов выражение (11) будет иметь следующий вид:
. (12)
В табл. 2 указаны диапазоны изменения основных факторов процесса ГСЦ горных пород.
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива 
, м,
. (13)
Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,89, критерий Фишера F = 148,2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (13) при 5% уровне значимости составляет F0,05= 3,96, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил
Квар= 15,7, что указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Таблица 2
| Основные факторы | Диапазон изменения |
Давление водоцементной суспензии  , МПа | 40 – 60 |
Диаметр струеформирующей насадки  , м | 0,002 – 0,003 |
| Скорость подъема буровой колонны V, м/с | 0,0017 – 0,0083 |
Частота вращения буровой колонны  , с-1 | 0,167– 0,500 |
| Коэффициент сцепления горных пород С, МПа | 0,006 – 0,064 |
С целью оценки адекватности разработанной математической модели фактическим результатам, полученным по зависимости (13) проведено сопоставление экспериментальных значений диаметра закрепляемого массива с значениями, рассчитанными по уравнениям математической модели (8). Получена удовлетворительная сходимость экспериментальных и расчетных значений. Коэффициент корреляции для всей серии опытов составил 0,8, а коэффициент вариации – 22,5 %.
Создание комплекта оборудования для реализации технологии ГСЦ неустойчивых горных пород включает в себя следующие этапы:
- выбор источника водоцементной суспензии высокого давления из ряда существующего оборудования, наиболее полно отвечающего технологическим потребностям разрабатываемого оборудования;
- выбор базового бурового оборудования, отвечающего требованиям работы в стесненных подземных условиях или при открытых горных работах;
- разработка оригинального дополнительного оборудования, оснащение которым базовой буровой установки обеспечит формирование закрепляемого породного массива с рациональными параметрами процесса ГСЦ.
К дополнительному оборудованию относится буровой став, включающий в себя следующие основные элементы: гидросъемник, буровые штанги и монитор. Гидросъемник обеспечивает подачу высоконапорной водоцементной суспензии от насосного блока во вращающуюся буровую колонну. Буровые штанги (линейные секции става) служат для подачи высоконапорной водоцементной суспензии к монитору и передачи осевого усилия и крутящего момента от вращателя бурового станка к буровому инструменту. Монитор предназначен для струйного разрушения горных пород и перемешивания продуктов разрушения. Он оснащается струеформирующей насадкой, которая служит для формирования высокоскоростной суспензионной струи.
Кроме того, для контроля формы закрепляемого массива буровой станок должен быть оснащен АСУ процессом ГСЦ горных пород.
С целью обоснованного сокращения номенклатуры машин для ГСЦ горных пород был разработан типоразмерный ряд насосных установок и соответствующий ему параметрический ряд буровых ставов. Для этого, с учетом результатов выполненных исследований, использовалась следующая система уравнений:
(14)
где N – гидравлическая мощность источника водоцементной суспензии высокого давления, кВт.
Исходными данными при решении системы (14) являются: диаметр закрепляемого породного массива 
, давление водоцементной суспензии 
, частота вращения буровой колонны 
и коэффициент сцепления горных пород С. В результате решения системы уравнений (14) получают: потребляемую гидравлическую мощность насосного агрегата N, а также скорость перемещения буровой колонны V и диаметр отверстия струеформирующей насадки 
, обеспечивающие максимальную производительность и минимальную удельную энергоемкость процесса ГСЦ горных пород.
Типоразмерный ряд насосного оборудования представляет собой ряд значений, образованный по возрастающей мощности привода. Расчет значений мощности насосного оборудования производился с использованием ПК в широких диапазонах изменения параметров 
, 
, 
и С. Было проведено 1050 вычислений.
Анализ результатов вычислений, являющихся выборочным решением системы уравнений (14) для области применения ГСЦ горных пород, выявил потребность в их статистическом исследовании. Полученные значения гидравлической мощности составили интервал от 13,46 до 523,85 кВт. Для данного размаха варьирования значений N была построена кривая распределения с учетом предварительной разбивки полученной области исследования на классы в соответствии с правилом Штюргеса (рис. 4).
Площадь фигуры, ограниченная снизу осью N, сверху кривой распределения, слева прямой с координатой N = 10 кВт и справа прямой с координатой N = 527 кВт, представляет собой область применения источников водоцементной суспензии высокого давления.
С целью создания ряда предпочтительных значений мощности насосного оборудования после разбивки этой площади на равные части, что соответствует равновероятному применению оборудования каждого интервала значений мощности, и проведения соответствующих расчетов был получен следующий ряд значений мощности: 10, 50, 100, 160, 240 и 420 кВт. Анализ этих значений показывает, что:
- при разработке оборудования для ГСЦ горных пород реализация гидравлической мощности 10 кВт и менее нецелесообразна;
- минимальным значением мощности серийно выпускаемых отечественных цементировочных насосов является 50 кВт;
- в мировой практике отсутствует оборудование для СЦГ горных пород мощностью более 420 кВт на одну струеформирующую насадку, диаметр отверстия которой в этом случае должен быть 0,007 м, что также противоречит зарубежному опыту;
- оборудование в интервале мощностей от 420 до 527 кВт встречается крайне редко, что составляет 2,3% от случаев рассмотренных при проведении численного эксперимента, поэтому его целесообразно не учитывать при разработке типоразмероного ряда.
Параметрический ряд буровых ставов для ГСЦ горных пород должен быть образован из пяти исполнений става по номинальному давлению водоцементной суспензии в интервале от 40 до 60 МПа и соответствующему ему диаметру отверстия струеформирующей насадки с учетом пяти типоразмеров насосного оборудования.
Еще одним важным конструктивным параметром бурового става, который целесообразно учесть при разработке типоразмерного и параметрического рядов оборудования является диаметр проходного сечения бурового става dст, определяемый расходом водоцементной суспензии.
Типоразмерный и параметрический ряды оборудования для ГСЦ горных пород в окончательном варианте представлены в табл. 3.
Таким образом, требуемые из условий конкретных технологий значения выходных параметров оборудования для ГСЦ горных пород (давление и диаметр отверстия струеформирующей насадки) определяют его типоразмер (мощность привода насоса водоцементной суспензии высокого давления).
На основании анализа существующих конструкций машин для реализации технологии ГСЦ и с учетом опыта разработки высоконапорного оборудования для гидроструйных технологий была разработана оригинальная конструкция бурового става для выполнения работ по закреплению массива ГСЦ неустойчивых горных пород.
Таблица 3
| Насосный блок | Буровой став | ||||||||
| Типо- размер | Мощность привода, N, кВт | Диаметр проходного сечения бурового става dст, м | Исполнение | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||||
| Давление номинальное Рном,, МПа | |||||||||
| 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | |||||
| Диаметр отверстия струеформирующей насадки – d0, м | |||||||||
| 1 | 50 | 0,048 | 0,0025 | 0,0025 | 0,0025 | 0,0025 | 0,0020 | ||
| 2 | 100 | 0,065 | 0,0045 | 0,0040 | 0,0035 | 0,0035 | 0,0030 | ||
| 3 | 160 | 0,079 | 0,0055 | 0,0050 | 0,0045 | 0,0045 | 0,0040 | ||
| 4 | 240 | 0,093 | 0,0070 | 0,0065 | 0,0060 | 0,0055 | 0,0050 | ||
| 5 | 420 | 0,118 | 0,0090 | 0,0085 | 0,0085 | 0,0070 | 0,0065 | ||
Буровой став предназначен для навешивания на существующие буровые установки, которые обеспечивают режимы работы, соответствующие технологии ГСЦ горных пород. Например, для оснащения разработанным буровым ставом подходят машины СБГ-3 и СБГ-3321, а также СБГ-2, серийно выпускаемые ООО «СМЗ».
Буровой став состоит из следующих элементов (рис. 5): гидросъемника,
буровых штанг (количество которых зависит от протяженности закрепляемого массива горных пород) и гидромонитора (струеформирующая насадка).
Кроме того, разработана АСУ процессом ГСЦ горных пород, защищенная патентом РФ. Принцип работы АСУ заключается в следующем. Во время бурения пилотной скважины осуществляется непрерывный мониторинг физико-технических свойств горных пород, на основании которого строится график изменения свойств породного массива в зависимости от глубины пилотной скважины. При обратном ходе буровой колонны во время закрепления массива параметры процесса ГСЦ горных пород изменяются таким образом, чтобы основной показатель процесса – диаметр закрепляемого массива D, всегда оставался равным проектному значению.
В качестве основного показателя физико-технических свойств горных пород, характеризующего процесс ГСЦ, нами обоснованно был принят коэффициент сцепления пород С. При бурении пилотной скважины коэффициент сцепления горных пород можно определять, регистрируя момент сопротивления на буровом ставе (или крутящий момент) при отсутствии на нем осевого усилия.
Буровое оборудование, используемое для реализации технологии ГСЦ горных пород, оснащается специальными устройствами, обеспечивающими перемещение буровой колонны с заданной скоростью. Поэтому предполагается, что, если при бурении пилотной скважины определенного диаметра задавать фиксированные значения скорости подачи буровой колонны на забой (скорости бурения) и частоты вращения бурового инструмента, об изменении коэффициента сцепления горных пород можно судить по изменению момента сопротивления вращению исполнительного органа, т. е. крутящего момента Мкр.
Анализ результатов экспериментальных исследований, в которых применялось в качестве бурового инструмента однолопастное долото типа «Пикобур», показал, что сделанное нами предположение о корреляционной связи между крутящим моментом при бурении и коэффициентом сцепления горных пород при заданных скоростях подачи и вращения буровой колонны полностью подтверждается. Корреляционная связь С, МПа, и Мкр, Нм, имеет следующий вид:
С = 0,00004Мкр – 0,034 . (15)
Коэффициент корреляции для зависимости (15) составил R = 0,95. Следует отметить, что фактическое значение коэффициента при Мкр может изменяться в зависимости от типа бурового инструмента, поэтому его значение необходимо получать при тарировке оборудования.
Таким образом, разработанная АСУ процессом ГСЦ горных пород при бурении пилотной скважины, считывая с тензодатчика изменение значения крутящего момента по ее длине, строит график изменения коэффициента сцепления горных пород также по длине скважины. Кроме того, в ходе закрепления массива горной породы АСУ процессом ГСЦ корректирует скорость перемещения буровой колонны таким образом, чтобы форма закрепленного массива соответствовала проектной.
Еще одним важным преимуществом АСУ ГСЦ горных пород является возможность создания закрепленных массивов заданной сложной формы. Например, опорных фундаментных конструкций из породобетона с утолщенным основанием грибообразной или грушевидной формы, что существенно увеличивает их несущую способность. Для решения этой задачи в АСУ процессом ГСЦ вводится программа формирования закрепляемого массива переменного диаметра.
В ходе промышленных испытаний при помощи экспериментального образца станка СГСЦ-1, оснащенного буровым ставом 1 и 2 типоразмеров (см. табл. 3), были закреплены породные массивы диаметром от 0,8 до 1,2 м и длиной 12 м. При промышленных испытаниях также была проверена работоспособность АСУ процессом ГСЦ. Применение АСУ процессом ГСЦ позволило получать закрепленные массивы переменного диаметра – опорные конструкции с утолщенным основанием (были созданы породобетонные массивы длиной 8 и 6 м, диаметром основания 1,2 м и диаметром 0,7 м на остальном протяжении).
Породобетон закрепленного массива был подвергнут испытаниям на предмет соответствия его прочностных свойств прогнозируемым показателям. В качестве показателя механической прочности исследуемого материала был принят предел прочности на одноосное сжатие сж. Полученные данные для сж полностью совпадают с прогнозируемой прочностью закрепляемого массива.
Таким образом, промышленные испытания экспериментального образца бурового станка СГСЦ-1, оснащенного АСУ процессом ГСЦ горных пород, на участке весьма сложном по инженерно-геологическим условиям, полностью подтвердили работоспособность разработанного бурового става и всего оборудования в целом для ГСЦ горных пород, соответствие полученной прочности закрепленного массива (породобетона) прогнозируемой, а также перспективность предлагаемого оборудования.
Одним из основных вариантов применения технологии ГСЦ в горном производстве является щитовой комплекс для микротоннелирования с опережающим закреплением породного массива для проходки выработок в неустойчивых горных породах. Предлагаемый щитовой комплекс предназначен для проведения выработок малого диаметра до 1,5 м в условиях неустойчивых горных пород. Реальной альтернативы такому оборудованию на сегодняшний день не существует, исключая технологию замораживания горных пород, которой, в свою очередь, присущи существенные недостатки.
В качестве решения указанной проблемы была предложена технологическая схема проходки горных выработок малого сечения, основанная на закреплении породного массива способом ГСЦ путем бурения опережающей скважины с последующей разработкой закрепленного массива с регламентированными прочностными свойствами механическим исполнительным органом.
Рис. 6. Проходческий комплекс с использованием технологии ГСЦ горных пород:
1 – механический исполнительный орган; 2 – буровой став; 3 – домкратная станция (механизм перемещения); 4 – гидросъемник; 5 – закрепленный массив
Рис. 7. Варианты применения и конструктивного исполнения оборудования для ГСЦ горных пород
Вариант конструктивного исполнения комплекта оборудования, реализующего предложенную схему, представлен на рис. 6. Базовая машина представляет собой щит с комбинированным породоразрушающим исполнительным органом, состоящим из опережающего бурового става постоянной длины для ГСЦ горных пород, расположенного строго по продольной оси проводимой выработки и соосно расположенной с ним планшайбы с резцовым или шарошечным инструментом для разрушения всей площади забоя. Щит также оснащен погрузочным устройством и блоком привода механизма перемещения и планшайбы. Насосный блок и миксерная станция, а также энергоблок и блок автоматики АСУ процессом ГСЦ размещаются в выработке на некотором удалении от щита и на рис. 6 условно не показаны.
Доставка водоцементной суспензии осуществляется по гибкому рукаву. Длина бурового става подбирается таким образом, чтобы проходка горной выработки на длину бурового става заняла столько времени, чтобы закрепляемый породный массив набрал прочность достаточную для гарантированного безопасного ведения работ.
Кроме щитового комплекса для микротоннелирования с опережающим закреплением породного массива для проходки выработки в неустойчивых горных породах автором было предложено несколько вариантов применения и конструктивного исполнения оборудования и оснастки для различных технологий ГСЦ горных пород, показанных на рис. 7.
Отдельный интерес представляет разработка многоцелевой буровой установки ГСЦ горных пород на базе самоходной машины. При этом навесное буровое оборудование (буровой став) и базовая машина конструктивно увязываются (рис. 8).
Кроме того, разработанные элементы бурового става для ГСЦ горных пород, в частности гидросъемник и буровые штанги, могут успешно применяться в конструкциях машин для реализации технологий гидроструйного и гидромеханического бурения, а также при создании исполнительных органов очистных комбайнов и проходческих комбайнов избирательного действия, оснащаемых системами высоконапорного орошения (см. рис. 7).
На основании выполненных исследований разработана инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Прикладные компьютерные программы и методика расчета переданы ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, г. Москва, ОАО НВСП «Техпрогресс», г. Санкт-Петербург, и ООО «СМЗ» и использованы при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов оборудования для реализации технологии ГСЦ неустойчивых горных пород. Опытные образцы буровых ставов прошли промышленные испытания на ОАО НВСП «Техпрогресс» и приняты к производству на ООО «СМЗ». Ими оснащены стенды для исследования гидроструйных технологий ТулГУ. Результаты работы также использованы ТРО АГН и ООО «СМЗ» при создании гидромеханических исполнительных органов и универсальной системы высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП-21.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной проблемы, заключающейся в обосновании параметров и создании оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых горных пород на основе установленных закономерностей взаимодействия их с высокоскоростными водоцементными струями, внедрение которого будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в горной промышленности за счет повышения эффективности закрепления породного массива при производстве горных работ, что имеет важное значение для народного хозяйства страны.
Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.
1. Разработана математическая модель процесса ГСЦ неустойчивых горных пород, позволяющая на основе выявленных закономерностей взаимодействия высокоскоростной водоцементной струи с породным массивом, определять диаметр закрепляемого массива для различных условий.
2. Установлено, что при взаимодействии высокоскоростных водоцементных струй с породным массивом между коэффициентом сцепления горных пород и диаметром закрепляемого массива существует тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции составляет 0,95). Поэтому предложено в качестве показателя физико-технических свойств породного массива, определяющего процесс ГСЦ неустойчивых горных пород, использовать коэффициент сцепления.
3. Установлено, что при ГСЦ неустойчивых горных пород давление водоцементной суспензии, скорость перемещения буровой колонны и частота ее вращения, а также диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на диаметр закрепляемого породного массива. Например, при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5 – 1,8 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива также линейно в среднем в 1,6 раза. С увеличением скорости перемещения и частоты вращения буровой колонны, а также коэффициента сцепления горных пород диаметр закрепляемого породного массива уменьшается. С учетом всех перечисленных факторов получена расчетная зависимость для определения диаметра закрепляемого породного массива при его ГСЦ.
4. На основании взаимосвязи конструктивных и режимных параметров технологического инструмента с показателями процесса ГСЦ неустойчивых горных пород выявлены области минимальных удельных энергозатрат и максимальных скоростей приращения объема закрепляемого массива, определяющие рациональные значения скорости перемещения буровой колонны. При этом обнаружено, что значения рациональной скорости перемещения буровой колонны не зависят от коэффициента сцепления горных пород. При возрастании частоты вращения буровой колонны и диаметра отверстия струеформирующей насадки значения рациональной скорости перемещения увеличиваются. Получена расчетная формула для определения рациональных значений скорости перемещения буровой колонны применительно к различным условиям процесса ГСЦ неустойчивых горных пород.
5. Для обоснованного сокращения номенклатуры машин для ГСЦ горных пород разработан типоразмерный ряд водоцементных насосных установок по мощности привода от 50 до 420 кВт и соответствующий ему параметрический ряд буровых ставов по давлению водоцементной суспензии от 40 до 60 МПа с учетом диаметра отверстия струеформирующей насадки. Установлены значения экономически целесообразного проходного сечения буровых ставов в соответствии с мощностью привода применяемого насосного оборудования.
6. Разработана оригинальная конструкция бурового става для горных машин, включающая в себя гидросъемник, буровые штанги и гидромонитор и обеспечивающая возможность реализации технологии ГСЦ при закреплении массива неустойчивых горных пород.
7. Разработана АСУ процессом ГСЦ неустойчивых горных пород, осуществляющая непрерывный мониторинг коэффициента сцепления горных пород по длине пилотной скважины в зависимости от крутящего момента на буровом инструменте. При этом регулировка параметров процесса ГСЦ производится таким образом, чтобы гарантированно обеспечить получение закрепляемого массива заданной формы и размеров (без разрывов) с необходимым содержание цемента в единице объема породы.
8. Создан экспериментальный образец бурового станка СГСЦ-1, оснащенного АСУ процессом ГСЦ горных пород, промышленные испытания которого на участке весьма сложном по инженерно-геологическим условиям полностью подтвердили работоспособность разработанного бурового става и всего оборудования в целом для ГСЦ горных пород и соответствие полученной прочности закрепленного массива (породобетона) прогнозируемой.
9. Предложена технологическая схема проходки горных выработок малого диаметра до 1,5 м в условиях неустойчивых горных пород с использованием щитового комплекса, основанная на закреплении породного массива способом ГСЦ путем бурения опережающей скважины с последующей разработкой закрепленного массива с регламентированными прочностными свойствами механическим исполнительным органом.
10. Предложено несколько вариантов применения и конструктивного исполнения оборудования и оснастки для различных технологий ГСЦ горных пород. Разработанные элементы бурового става, в частности гидросъемник и буровые штанги, могут успешно применяться в конструкциях машин для реализации технологий гидроструйного и гидромеханического бурения, а также при создании исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов избирательного действия, оснащаемых системами высоконапорного орошения.
11. Разработана методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса ГСЦ горных пород и энергетических характеристик насосного оборудования.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Монография
1. Головин К.А. Разработка оборудования для закрепления массивов неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации: Монография / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2007. - 206 с.: ил.
Статьи в изданиях, включенные в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий
2. Головин К.А. Исследования насыщения высоконапорной водяной струи абразивными частицами при реализации технологии гидроабразивного разрушения горных пород / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Э. Ерухимович // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». - Тула, 1997. С.346 - 349.
3. Головин К.А. Стендовая база для изучения водоструйных технологий / К.А. Головин, В.А. Бреннер, В.В. Антипов, Ю.В. Антипов, А.Е. Пушкарев // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70 - летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С. 25 - 28.
4. Головин К.А. Выбор источника воды высокого давления для технологии гидроабразивного резания горных пород / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, Ю.Э. Ерухимович, М.М. Миллер // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70 - летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С. 32 - 39.
5. Головин К.А. Теоретические и экспериментальные исследования проникновения высоконапорной струи в твердую среду / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.Н. Чуков, С.В. Дорофеев, В.Ю. Сладков // Технология и механизация горных работ. Юбилейный сборник посвященный 70 - летию В.А. Бреннера. - Москва, 1998. С. 56 - 60.
6. Golovin K.A. «The Generalized Formula for Calculating the Depth of Hydro-Abrasive Jet Cutting» / K.A. Golovin, V.A. Brenner, A.E. Pushkarev, A.B. Zabin // Proceeding of the 5th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology. February 3-5, 1998. New Delhi, India. Allied Publishers Limited. P. 261-265.
7. Golovin K. A. Simulation of Hydro-Abrasive Cutting Process / K. A. Golovin, A.E. Pushkarev, A.B. Zabin, Y.I. Yeruhimivich // Proceeding of the International Symposium on New Applications of Water Jet Technology. Oktober 19-21, 1999. Ishinomaki, Japan. Ishinomaki Senshu Universiti. P. 421-425.
8. Головин К.А. Разработка параметрического ряда источников воды высокого давления для водоструйных технологий / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов // Физические проблемы взрывного разрушения массива горных пород. Сборник трудов международной конференции. - Москва, Изд-во ИПКОН РАН, 1999. С. 237 - 240.
9. Golovin K.A. Water and ice technology for removing explosives from unused ammunition / K.A. Golovin, A.V. Mihaylov, V.Y. Sladkov, V.A. Brenner, A.E. Pushkarev, A.N. Chukov // Paper presented at the 15-th International Conference on Jetting Technology organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Ronneby, Sweden on 6 - 8 September 2000. P. 77 - 80.
10. Golovin K.A. Measurement of noise characteristics of hydro-jet cutting tools / K.A. Golovin, V.A. Brenner, A.E. Pushkarev, A.N. Chukov, V.Y. Sladkov, Y.N. Naumov // Paper presented at the 15-th International Conference on Jetting Technology organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Ronneby, Sweden on 6 - 8 September 2000. P. 277 - 282.
11. Головин К.А. Возможности формирования струй жидкости для гидрорезания твердых материалов / К.А. Головин, Е.В. Антонова, А.Е. Пушкарев, С.А. Чуков // НТО «Оборонпром». Труды научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула, 2000. С.171 - 177.
12. Golovin K.A. Mechanoactivation of catalist masses using high-pressure equipment / K.A. Golovin, A.E. Pushkarev, M.A. Obysov, V.A. Brenner, Y.Z. Golosman // 6th Pacific Rim International Conference on Water Jetting Technology. Sydney, Australia, 11 Oktober, 2000. P. 305-308.
13. Головин К.А. Основные результаты исследований процесса гидроструйного резания / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев // «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства». 2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ. - Тула, 2002. С. 233 - 237.
14. Головин К.А. Состав высоконапорного оборудования для разрушения скальных пород гидроабразивными струями / К.А. Головин, Д.Н. Грызлов, А.Е. Пушкарев, В.В. Сафронов // «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства». 2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. С. 351 - 352.
15. Головин К.А. Установление влияния гидравлических параметров водоструйного инструмента на ширину следа и длину активного участка струи / К.А.Головин, Г.В. Григорьев, К.В. Демин, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства». 2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. С. 358 - 362.
16. Головин К.А. Перспективы развития гидроструйных технологий в горно-добывающей промышленности и подземном строительстве / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов, М.М. Щеголевский // Журнал «Горные машины и автоматика» №5, 2002. С. 2 - 10.
17. Головин К.А. Стойкость струеформирующего инструмента при реализации технологии гидроабразивного резания горных пород / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, К.В. Демин, А.Е. Пушкарев // Труды 3-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна». 26-27 ноября 2002 г.-Изд. ТулГУ, Тула, 2002. С. 166 - 168.
18. Головин К.А. Установление влияния гидравлических параметров водоструйного инструмента и расстояния от струеформирующей насадки до образца на ширину следа струи / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, К.В. Демин, Г.В. Григорьев // Сборник научных трудов по материалам 4-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в решении региональных проблем». Москва – Тула, ИПП «Гриф и Ко»,, 2002. С. 44 - 49.
19. Головин К.А. Определение параметров гидроабразивной струи / К.А. Головин, Ю.Н. Наумов, А.В. Поляков, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // Труды 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности строительства и энергетики. Том 1. - Изд. ТулГУ, Тула, 2003. С. 188 - 192.
20. Головин К.А. Состав комплекта оборудования для реализации технологии водоледяного разрушения горных пород / К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // Ежегодная научно-практическая конференция «Неделя горняка», Московский горный университет, Москва, 2003 г. С. 110-114.
21. Головин К.А. К вопросу подготовки специалистов нового поколения в области проектно-конструкторских работ / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, В.А. Романов // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 6., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2004. С. 32-35.
22. Головин К.А. Стендовая база для исследования процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления / К.А. Головин, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Серiя: «Гiрничо-електромеханiчна». Випуск 99.- Донецьк: ДонНТУ, 2005. С. 22-26.
23. Головин К.А. Основные закономерности гидроструйного разрушения горных пород / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Серiя: «Гiрничо-електромеханiчна». Випуск 99.- Донецьк: ДонНТУ, 2005. С 18-22.
24. Головин К.А. Оценка возможности создания гидроструйных систем сверхвысокого давления / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, В.Е. Бафталовский, Ю.Н. Наумов // Геомеханика. Разрушение горных пород: Научн. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. - Москва, 2005. - №331. С. 127 - 133.
25. Головин К.А. К вопросу о создании отечественного оборудования для возведения грунтобетонных свай / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, Ю.Н. Наумов // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. Научно-образовательный и прикладной журнал. Спецвыпуск «Проблемы горной электромеханики», 2005. С. 14-18.
26. Golovin K.A. The results of research destruction hard rocks by extra high pressure water (статья на английском языке) / K.A. Golovin, V.A. Brenner, A.B. Gabin, A.E. Pushkarev // Paper presented at the 18-th International Conference on Water Jetting organized and sponsored by BHR Group Limited. Held in Gdansk, Poland, on 13 - 15 September 2006. P. 153-159.
27. Головин К.А. К вопросу о струйной цементации грунтов / К.А. Головин //2-ой международный северный социально-экологический конгресс. Труды 4-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 12-14 апреля 2006 г.(Филиал СПГИ(ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2006. С. 33-37.
28. Головин К.А. Обзор установок горизонтального бурения (прокола) представленных на российском рынке / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГУ, 2006. С. 189-195.
29. Головин К.А. Особенности использования горизонтального направленного бурения / К.А. Головин, В.А. Бреннер, А.Е. Пушкарев, Тарасов М.В., А.А. Рогачев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГУ, 2006. С. 195-200.
30. Головин К.А. Математическое моделирование процесса взаимодействия исполнительного органа прокалывающей машины с грунтовым массивом / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев, В.И. Сарычев // Ударно-вибрационные системы машины и технологии. Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГУ, 2006. С. 510-520.
31. Головин К.А. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды / К.А. Головин, А.Б. Жабин, А.В. Поляков // Журнал «Горные машины и автоматика» №4, 2006. С. 43-45.
32. Головин К.А. Разработка буровых ставов для реализации технологии гидроструйной цементации горных пород / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 148 - 153.
33. Головин К.А. К вопросу о изучении процесса закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 153 - 156.
34. Головин К.А. Экспериментальные исследования взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом / В.А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, А.А. Рогачев, В.И. Сарычев //Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 157 - 159.
35. Головин К.А. Факторы и показатели процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород / К.А. Головин //Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 159 - 161.
36. Головин К.А. Стендовая база для изучения технологии закрепления массива неустойчивых горных пород методом ГСЦ / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 162 - 165.
37. Головин К.А. Установление критерия сопротивляемости горных пород ГСЦ обработке / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 165 - 166.
38. Головин К.А. Применение технологии закрепления неустойчивых горных пород методом гидроструйной цементации / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 171 - 172.
39. Головин К.А. Разработка методики определения основных параметров процесса ГСЦ горных пород / К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности». Выпуск 8., Тула, ИПП «Гриф и Ко», 2006. С. 173 - 175.
40. Головин К.А. Исследование процесса гидроструйной цементации неустойчивых горных пород / К.А. Головин // 3-ий международный северный социально-экологический конгресс. Труды 5-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 11-13 апреля 2007 г.(Филиал СПГИ(ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2007. С. 36-40.
41. Головин К.А. Горнопроходческие щиты: состояние вопроса и перспективы развития / К.А. Головин, А.В. Поляков, А.В. Поляков, А.Е. Пушкарев // 3-ий международный северный социально-экологический конгресс.Труды 5-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 11-13 апреля 2007 г.(Филиал СПГИ(ТУ)) Воркутинский горный институт. - Воркута, 2007. С. 40-42.
42. Головин К.А. К вопросу о создании высокомобильного оборудования для струйной цементации грунтов / К.А. Головин // Журнал Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. Перспективы развития восточного Донбасса. 2006 Приложение №. 9 г. Ростов-на Дону, 2007. - С. 140-144.
43. Головин К.А. Оборудование для гидроструйной цементации грунтов / К.А. Головин // Журнал «Горные машины и автоматика» №5, 2007. С. 15-18.
44. Головин К.А. Способ закрепления грунта / В.А. Бреннер, К.А. Головин, Л.В. Заводчиков, Б.Н. Люлин, А.Е. Пушкарев, В.А. Шубарев // Патент РФ №2005137223/03(041543) от 01.12.2005.
