Разрушение угля и горных пород высокоскоростными струями воды

Приведены результаты экспериментальных исследований процессов гидравлического и гидроабразивного резания угля, горных пород и других твердых материалов. Наиболее распространенным способом разрушения горных пород тонкими струями воды высокого давления является щелевой. Основным критерием интенсивности резания горных пород тонкой струей воды является глубина щели. За критерий сопротивляемости угля и горных пород гидравлическому резанию приняты коэффициент крепости и временное сопротивление на раздавливание соответственно. Повышение разрушающей способности водяных струй высокого давления возможно за счет добавок абразивных материалов. Установлены основные закономерности и рациональные параметры процессов гидравлического и гидроабразивного резания горных пород. Разработаны математические модели процессов резания. Предложена конструкция гидроабразивного инструмента с переменной геометрией проточной части для достижения максимальной разрушающей способности формируемых гидроабразивных струй, способного адаптироваться к выполнению различных вспомогательных операций на горнодобывающих предприятиях и в строительстве. Гидроабразивный инструмент прошел успешные испытания в стендовых и промышленных условиях.

Мерзляков В. Г., Деревяшкин И. В., Бойкова И. Е., Толмачев А. И. Разрушение угля и горных пород высокоскоростными струями воды // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 4. – С. 140–156. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2023_4_0_140.

Мерзляков Виктор Георгиевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: vgm458@mail.ru,
Деревяшкин Игорь Владимирович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: robotron-04@mail.ru,
Бойкова Ирина Евгеньевна¹ — зав. лабораторией, e-mail: bie07@list.ru,
Толмачев Алексей Иванович — канд. техн. наук, ассистент кафедры, Губкинский филиал НИТУ «МИСиС»,
¹ Московский политехнический университет.

Мерзляков В.Г., e-mail: vgm458@mail.ru.

1. Мерзляков В. Г., Бафталовский В. Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. — М.: ННЦ ГП – ИГД им. А.А.Скочинского, 2004. — 645 с.

2. Talele S., Dalvi A., Rane G., Nawar J. Water-jet cutting — a precise method for manufacturing process // International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology. 2020, vol. 4, pp. 471—473. DOI:10.33564/IJEAST.2020.v04i11.084.

3. Liu S., Chen J., Liu X. Rock breaking by conical pick assisted with high pressure water jet // Advances in Mechanical Engineering. 2014, vol. 2014, 10 p. DOI: 10.1155/2014/868041.

4. Бреннер А. А., Жабин А. Б., Щеголевский М. М., Поляков Ал., Поляков Ан. Гидроструйные технологии в промышленности. Совершенствование гидроструйных технологий в горном производстве. — М.: Изд-во «Горная книга», 2010. — 337 с.

5. Хачатурян В. Г. Разрушение горючих сланцев высокоскоростными струями воды по щелевой схеме: Автореф. дис…. канд. техн. наук. — Тула: ТулГУ, 2016. — 16 с.

6. Шкаруба Н. А., Кисляков В. Е., Николаева Н. В., Катышев П. В., Тешаев У. Р. Производительность отбойки пород гидромонитором при наличии в его струе твердых частиц различной крупности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 11. — С. 37—44. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_37.

7. Мерзляков В. Г., Деревяшкин И. В. Применение гидроструйных технологий в горном производстве // Технический оппонент. — 2022. — № 1(8). — C. 24—27.

8. Xiao S., Re Q., Cheng Y., Zhao Н., Cao Sh., Zhang L., Chen B., Meng X. Damage and fracture characteristics of rocks with different structures under high-velocity water jet impact // Engineering Fracture Mechanics. 2021, vol. 256, article 107961. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.107961.

9. Liu S., Liu X., Chen J., Lin M. Rock breaking performance of a pick assisted by highpressure water jet under different configuration modes // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2015, vol. 28, no. 3, pp. 607—617. DOI: 10.3901/CJME.2015.0305.023.

10. Бражкин О. В. Обоснование параметров гидроагрегатной технологии отработки крутых пластов с использованием тяжелых сред: Автореф. дис. канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2000. — 24 с.

11. Головин К. А. Установление параметров процесса нарезания щелей в горных породах гидроабразивным инструментом: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Тула: ТулГУ, 1997. — 18 с.

12. Мерзляков В. Г. Гидроструйные технологии в горном деле. Основные результаты научно-исследовательских работ // Горное оборудование и электромеханика. — 2018. — № 2. — С. 6—11.

13. Zhabin A., Polyakov A., Averin E. Experimental studies on cutting oil shale by highpressure water jets // Oil Shale. 2019, vol. 36, no. 1, pp. 32—42. DOI: 10.3176/oil.2019.1.03.

14. Stoxreitera T., Martinb A., Tezac D., Gallera R. Hard rock cutting with high pressure jets in various ambient pressure regimes // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018, vol. 108, pp. 179—188. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.06.007.

15. Жабин А. Б., Поляков А. В., Хачатурян В. Г. Исследование закономерностей разрушения горючих сланцев высокоскоростными струями воды // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2016. — № 3. — С. 135—141.

16. Arab P. B., Celestino T. B. A microscopic study on kerfs in rocks subjected to abrasive waterjet cutting // Wear. 2020, vol. 448-449, article 203210. DOI: 10.1016/j.wear.2020.203210.

17. Huan Li, Zhongwei Huang, Jingbin Li Rock breaking characteristics by swirling impeller abrasive water jet (SAWJ) on granite // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2022, vol. 159, article 105230. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2022.105230.

18. Бреннер В. А., Жабин А. Б., Пушкарев А. Е., Щеголевский М. М. Гидроабразивное резание горных пород. — М.: Изд-во МГГУ, 2003. — 279 с.

19. Бафталовский В. Е., Иванушкин И. В., Барабаш В. В., Мерзляков В. Г., Шубняков А. А. Технология и средства гидроабразивного резания крепких горных пород // Горные машины и автоматика. — 2003. — № 3. — C. 37—40.

20. Бафталовский В. Е. Выбор рациональных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного режущего инструмента / Разрушение горных пород и горнотехнологическое породоведение. Научные сообщения, вып. 310. — М., 1998. — C. 193—202.

21. Мерзляков В. Г., Бафталовский В. Е., Иванушкин И. В. и др. Разработка математической модели процесса и путей совершенствования средств гидроабразивного разрушения твердых материалов / Труды 2-й Международной конференции «Динамика и прочность горных машин». Т. 1. — Новосибирск, 2003. — C. 13—19.

22. Бафталовский В. Е. Выбор рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств / Разрушение углей и горных пород: Научные сообщения. — М.: Ин-т горн. дела, 1989. — С. 55—63.

23. Жабин А. Б., Поляков А. В., Аверин Е. А., Щеголевский М. М. Анализ и доработка аналитического метода расчета гидроабразивной эрозии горных пород // Горное оборудование и электромеханика. — 2018. — № 2. — С. 17—25.

24. Zhang J., Li Y. Using a high-pressure water jet-assisted tunnel boring machine to break rock // Advance in Mechanical Engineering. 2020, vol. 12, no. 10. DOI: 10.1177/1687814020 962290.

25. Song D., Wang E., Liu Z., Liu X., Shen R. Numerical simulation of rock-burst relief and prevention by water-jet cutting // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2014, vol. 70, pp. 318—331. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2014.05.015.

26. Бафталовский В. Е., Иванушкин И. В. Испытания опытного образца комплекса оборудования МАГ для гидроабразивной резки твердых материалов / Проблемы разработки угольных месторождений: Научные сообщения. Ин-т горн. дела им. А.А. Скочинского, вып. 320. — М., 2001. — C. 124—132.