A MISKOLCI EGYETEM KÖZLEMÉNYEI A Sorozat BÁNYÁSZAT 50. KÖTET A Miskolci Egyetem fennállásának 260. évfordulója alkalmából rendezett Jubileumi Tudományos Konferencia Bányászati és Műszaki földtudományi szekcióinak előadásai Miskolc, 1995. szeptember 7-8. MISKOLC, 1995
A MISKOLCI EGYETEM KÖZLEMÉNYEI A Sorozat BÁNYÁSZAT 50. KÖTET Á Miskolci Egyetem fennállásának 260. évfordulója alkalmából rendezett Jubileumi Tudományos Konferencia Bányászati és Műszaki földtudományi szekcióinak előadásai Miskolc, 1995. szeptember 7-8. MISKOLC, 1995
HU ISSN 0237-6016 SZERKESZTŐ BIZOTTSÁG: KOVÁCS FERENC felelős szerkesztő JAMBRIK R., MATING B., STEINER F., TARJÁN I. Kiadja a Miskolci Egyetem A kiadásért felelős: Dr. Palkó Gyula rektorhelyettes Miskolc-Egyetemváros, 1995 Megjelent a Miskolci Egyetemi Kiadó gondozásában Felelős vezető: Dr. Péter József Műszaki szerkesztő: Balsai Pálné A kiadóba érkezett 1995. július 17-én. A Sokszorosítóba leadva: augusztus 7-én Példányszám: 300 Készült Develop lemezről, az MSZ 5601-59 és 5602-55 szabványok szerint Miskolci Egyetem Sokszorosító Üzeme A sokszorosításért felelős: Kovács Tiborné üzemvezető BD - '95-860 - ME
A Miskolci Egyetem Közleményei A. sorozol Bányászai, 50. kötet. Jubileumi Konferencia 1995.145-153. old. VÍZSUGARAS VÁGÁSI KÍSÉRLETEK A GEOTECHNIKAI BERENDEZÉSEK TANSZÉKEN Dr. DEBRECZENI E. - SÜMEGI L* Összefoglalás OTKA támogatással a Geotechnikai Berendezések tanszéken sugárvágási laboratóriumot hoztunk létre. Ez a laboratórium alkalmas tiszta folyadéksugár és keveréksugár alkalmazásával történő kőzetvágási kísérletek végzésére. A vizsgálatok során a sugár előállítására használt nyomás és az előtolási sebesség széles határok között változtatható. A tanulmány a kísérleti berendezést és az azon elvégezhető vizsgálatokat ismerteti. * Dr. Debreczeni Elemér DSc. tanszékvezető egyetemi tanár Sümegi István egyetemi adjunktus Miskolci Egyetem Geotechnikai Berendezések Tanszék 145
1. BEVEZETÉS A kőzetek és fémek megmunkálásánál egyre gyakrabban szóba jön a nagysebességű víz- illetve keveréksugár alkalmazása. Különösen nagy a jelentősége fémek esetében ennek a vágási módnak akkor, ha a mechanikai módszerek nem alkalmazhatók és fontos, hogy az anyag hőhatásnak ne legyen kitéve. A kőzetek megmunkálásánál gyakran bonyolult szerkezeti elemek kivágása szükséges. Ezeket a szerkezeti elemeket korábban kézi megmunkálással készítették, a nagy élő munka igényű kivitelezés helyett ma általában a folyadéksugárral történő vágást használják. A bányászat fejlesztése során olyan új típusú környezetkímélő termelési eljárás kialakítása és alkalmazása szükséges, amelynél a hasznos ásványi nyersanyag feltárása és kitermelése fúrólyukon keresztül történik. Ennél a bányászati eljárásnál olyan hidraulikus termelési mód választása célszerű, ahol a termelt anyag - víz keverékével együtt - a termelés helyéről hidraulikus úton kiszállítható. Az ilyen fúrólyukon keresztüli bányászatnál jól alkalmazható a nagysebességű folyadéksugárral való jövesztés (vágás). A nagysebességű víz- illetve keveréksugár tulajdonságainak jobb megismerésére és a keveréksugárral történő kőzetvágás alapvető összefüggésének feltárására OTKA támogatást nyertünk el. A feladat kidolgozása során kísérleti és elméleti vizsgálatokat végeztünk a víz- illetve keveréksugár áramlástani viszonyainak tisztázására. Kísérleti berendezést építettünk a nagynyomású folyadékból vízsugarat előállító fúvóka kedvező kialakításának meghatározására, a vízsugár összenergiájának és energiaeloszlásának mérésére. Vizsgálóállomást építettünk a sugárvágás folyamatának mérésére, ezen 1000 bar nyomású tiszta vizet szállító dugattyús szivattyú szolgál nagysebességű víz- illetve keveréksugár előállítására. Ezt a kísérleti állomást felszereltük a nagysebességű vízsugárboz szilárd anyagot keverő berendezéssel, a vízsugarat pulzáló vízsugárrá alakító mechanikus eszközzel, valamint a kísérletek során szükséges számítógépes mérésadatgyűjtővel rendelkező mérőrendszerrel. 2. A VÍZ- ÉS KEVERÉKSUGARAS VÁGÁS TÍPUSAI A gyártási eljárásoknál széles körben az abrazív anyagot tartalmazó keveréksugarat alkalmazzák, mivel ekkor a megmunkáláshoz szükséges víz- és adalékanyag mennyiségét jelentősen lehet csökkenteni. A felhasznált anyag csökkentéséhez azonban a sugár előállításához a nyomást meg kell növelni. Az abrazív anyag vízsugárhoz történő keveréséhez az injektorral azonos elven működő keverofejet használnak, amely a tiszta vízzel működő berendezésre ráépíthető. A keverőfejbe a nagynyomású tiszta víz zafír fúvókán keresztül áramlik be. A fúvókából kilépő vízsugár rövid szabad áramlási szakasz után az áramlási irányba beépített keverőcsobe, az úgynevezett fókuszba jut. A nagysebességű vízsugár által létrehozott szívás hatására a 146
szemcsés szilárd abrazív anyag pneumatikus szállítással jut a keverőtérbe, ahol a nagysebességű vízsugár a szilárd szemcséket felgyorsítja. A fenti folyamat eredményeképp a keverőtérből, azaz a fókuszból kilépő sugár víz, szilárd anyag és levegő keverékéből áll. Az injektor elven előállított keveréksugár mellett ismert az abrazív anyagot tartalmazó szuszpenzió sugár is. A szuszpenzió sugár különösen a bontási és a víznívó alatti munkáknál alkalmazható. A szuszpenzió sugarat többféle módon állítják elő. Az egyik módszer szerint egy tartályt előzetesen feltöltenek az abrazív anyagot tartalmazó keverékkel. A nagynyomású tiszta vizet szállító szivattyú nyomócsövét a keveréket tartalmazó tartályra kapcsolják. A tartályból kiáramló sűrű keveréket a fúvóka előtt még nagynyomású vízzel keverik, így biztosítható a szuszpenzió sugár optimális szilárd anyag tartalma. A szuszpenzió sugár előállításának másik módja a keveréket szállító nagynyomású szivattyú felhasználása, Jelenleg azonban általában az elsőként említett módszert választják. A szuszpenzió sugár alkalmazásával a vágáshoz szükséges víz és a szilárd anyag mennyisége jelentősen lecsökkenthető. A megmunkálásnál csökken a vágási rés szélessége is. Ez az eljárás különösen a gyártási műveleteknél terjed. A tiszta vízzel és a keveréksugárral működd sugárvágások sugártípusait szemlélteti a 2.1. ábra. A sugártípusok összetétele és az alkalmazás területei a 2.2. ábrán látható. A keverék injektorsugár előállításának eszközeit és ezek egymáshoz kapcsolását a 2.3. ábrán mutatjuk be. A 2.4. ábrán kinagyítva ábrázoltuk a keverőfejet. A megépített kísérleti berendezésnek alkalmasnak kell lenni a hidraulikus vágási folyamat vizsgálatára, azaz a sugárvágással létrehozott rés és a vágási paraméterek közötti függvénykapcsolat meghatározására. A vágási paraméterek megválasztásánál arra kell törekedni, hogy azok a későbbi üzemi alkalmazás tartományát magukba foglalják. 3. A SUGÁRVÁGÁSI LABORATÓRIUM BERENDEZÉSEI A hidraulikus vágási folyamat laboratóriumi berendezés felépítése a 3.1. ábrán látható. A gép mozgó asztalára fogjuk fel a kőzetmintát tartó ládát. A mintaládába a vizsgálandó kőzetet - jellegének és szilárdságának megfelelően gipszbe, vagy betonba ágyazzuk. 147
A berendezésen a kőzetminta mozog és a jövesztő fúvóka áll. Ez a megoldás a gyalugép konstrukciójából adódik. A kívánt fúvóka-távolság beállítása a késtartó keresztgerendán a fúvóka-tartó egység megfelelő irányú mozgatásával történhet. A nagynyomású víz előállítására WOMA gyártmányú dugattyús szivattyút alkalmazunk. A jelenleg rendelkezésre álló szivattyúval a fúvóka előtti nyomást 1000 bar értékig tudjuk növelni. A kísérletek során mérjük a fúvóka előtt a folyadék nyomását és térfogatáramát, valamint a kőzetminta mozgatási sebességét. Biztonsági szempontból a nagynyomású rendszert gyorsműködésű biztonsági szeleppel szereltük fel. A gyalugép asztalának mozgatását külön erre a célra beépített hidraulikus munkahenger végzi. A hidraulikus henger működtetését megvalósító rendszer vázlata szintén a 3.1. ábrán látható. Az áramkörbe beépített térfogatáram-állandósítóval 0 és 0,4 m/s között tetszőleges mozgatási sebesség állítható be. A laboratóriumi vizsgálatok során fő célkitűzésünk a vizsgált kőzetek mechanikai jellemzői és a hidraulikus jövesztés paraméterei közötti összefüggés meghatározása. Ezzel a kérdéssel számos tudományos műhely foglalkozott. A hidraulikus jövesztés tervezéséhez szükséges megbízható alapadatok nyerésére két lehetséges mód kínálkozik. Az egyik esetben a vizsgálatokat a jöveszteni kívánt kőzettel kell elvégezni, és értelemszerűen ebben az esetben a vizsgálatokból kapott összefüggések nem általánosíthaióak, az adott kőzetre azonban megbízhatóak. A másik célkitűzés szerint a kőzet mechanikai tulajdonságainak (húzó- és nyomószilárdság, rugalmassági modulus, Poisson szám) és a jövesztő sugár jellemzőinek ismeretében a hidraulikus jövesztés általános összefüggéseit határozhatjuk meg. A kutató számára nyilván az utóbbi célkitűzés megvalósítása jelenti a probléma kielégítő megoldását. Megbízható alapadatok nyeréséhez azonban nyilvánvalóan még hosszú ideig nem nélkülözhetjük a jöveszteni kívánt kőzetek konkrét vizsgálatát sem. A hidraulikus sugárvágó, illetve jövesztőberendezések megépítéshez további fontos kérdés a legkedvezőbb energiahasznosítással működő fúvóka kikísérletezése. A fúvókán megvalósuló energiaátalakulással, a fúvóka utáni folyadéksugár szerkezetével számos kutató foglalkozott és ennek a szakirodalma is igen gazdag. Ezen a területen a törekvésünk az, hogy egy-, esetleg két fokozatban megépített fúvókával a nagynyomású folyadék minél jobb energia hasznosítását érjük el. A kísérletek során először a folyadéksugár impulzusának mérésével az energiaátalakítás hatásfokát vizsgáljuk. Ennek segítségével kíséreljük meg a lehetséges változatok közül az energetikailag legkedvezőbb megoldás kiválasztását. 148
A jövesztő fúvókákkal szemben alapvető követelmény, hogy a rendelkezésre álló nagynyomású folyadék energiatartalmát minél kisebb veszteséggel alakítsa sebességi energiává, és a keletkező nagysebességű folyadéksugár a lehető leghosszabb távolságig összetartó, tömör sugarat képezzen. A szakirodalomban található számos vizsgálati eredmény a fúvókákban végbemenő energiaátalakulást a fúvóka utáni sugár sebességeloszlásának vizsgálatával végzi el. A fúvókákban megvalósuló energiaátalakulás hatásfokának vizsgálatára mi a folyadéksugárra merőleges síktárcsára ható impulzuserő mérését alkalmazzuk. A fúvóka és a síktárcsa közötti távolság változtatásával a sugár energiatartalmának csökkenését is meg tudjuk határozni. A sugár külső méretei fénykép, vagy videofelvétel készítésével pontosan meghatározhatók. A tanszéken megépített fúvókavizsgáló kísérleti berendezés vázlatát a 3.2. ábra szemlélteti. A fúvóka megtáplálására szolgáló vizet változtatható fordulatszámú, frekvenciaváltóról táplált, elektromotorral hajtott szivattyú biztosírja. A szivattyú nyomóvezetékében térfogatáram mérő, a fúvóka előtti csőszakaszban pedig nyomásmérő szolgál a fúvókákba bevezetett hidraulikai teljesítmény meghatározására. A fúvókából kilépő sugárra merőlegesen helyezkedik el az erőmérő cellához kapcsolt síktányér. A tányérról lefolyó víz a fogadó tér csővezetékein keresztül a víztartályba folyik vissza. A fúvókát tartó cső és a tápvezeték közé épített tömlőszakasz biztosítja az impulzus erő mérésére szolgáló síktányér és a fúvóka közötti távolság változtatását. A tányérba ütköző sugárimpulzus erejéből és a sugár térfogatáramából a folyadéksugár sebessége, illetve energiatartalma határozható meg. Az egyszerű mérőberendezéssel igen nagyszámú mérés viszonylag rövid idő alatt elvégezhető és segítségével a kedvező geometriai kialakítású, jó hatásfokú és összetartó folyadéksugarat adó fúvóka kiválasztható. A vízsugárban az energiaeloszlás vizsgálatára külön mérőberendezést készítettünk. Ezt a kiegészítő mérőegységet a 3.3. ábra mutatja. Az impulzus erő mérésére készített berendezés ütköző tányérja helyére horonnyal ellátott tárcsát (ht) építettünk. A tárcsa hornyában mozgatható, a dinamikus nyomás mérésére alkalmas csuszka (cs) helyezkedik el. A csuszkában a tányér síkjára merőleges kisméretű furat a csuszkában kialakított, a nyomásmérőhöz való csatlakozást biztosító belső furathoz vezet. A csuszka másik oldalán a pontos beállítást szolgáló állító csavar van. Ez a berendezés a fúvókától különböző, előre beállított távolság mellett a folyadéksugár sugármenti energiaeloszlásának mérésére alkalmas. 149
Vízsugár Injektorsugór / Kpvereksugar Szus z penzió sugár Viz I Dugattyús \ szivattyú Viz I u_ Dugattyús szivattyú Viz Nyomásálló tartály Fúvóka. Fúvóka Fókusz Keverő komra Ke verő fej 2.1. ábra Sugártípusok Sugár típus Vízsugár Keverek injektorsugár Keverek szuszpenziósugár Összetétel (tért. %; E3 víz Szilárd Levegő Alkolmo - zási terület Tisztítás Bontás Vágós Vagos Tisztítás Bontás Vágás 2.2. ábra Alkalmazási területek 150
Szilárd onyag Dugattyús szivattyú v. nyomásfokozó Ulepito 2.3. ábra Keverék injektorsugár előállítása Nagynyomású v!z Htesztocsovor Fúvóka Szilára anyag Fókusz 2.4. ábra Keverőfej 151
Elek I romon távkapcsoló w Biztosíték Tömtóhid Hosszgyalugép out Kerulo ag Mdra-j!'«us lo^li Fú /OkC -T"- <>zzzzí> f~*\ TTTTTTTTTTTn \ Szuro Leereszt 6 vezeték Leeresztő vezetek Hidraulikus távmúködtetés Hidraulikus tápegység 3.1. ábra A vizsgáló berendezés felépítése
íslt*)ttyú \Vgtortálr 3.2. ábra A fúvókavizsgáló berendezés 3.3. ábra Az impulzuséra mérésére szolgáló cella 153
TARTALOMJEGYZÉK Dr. Takács, G., Udvardi, G., Turzó, Z.: A segédgázos termelés korszerűsítésének lehetőségei az algyői mezőben 3 Heinemann, Z., E., Ganzer, L.,J.: Adaptive grid and dual-time stepping for multi-purpose reservoir simulation models 11 Lakatos, 1., Lakatos-Szabó, J.,Munkácsi, I., Trömbőczky, S.: Profile correction in hydrocarbon reservoirs state-of-art and experiences at the Algyő field 27 Gesztesi, Gy., Dr. Mating, B Dr. Török, J., Dr. Tóth, J.: Flow of mobilized oil in surfactant enhances oil recovery 37 Ősz, Á.: Vízszintes fúrások kitörésvédelme, 47 Keresztes, T., ősz, Á., Pugner, S.: Korszerű fúrásellenőrző és -irányító műszerkabinok a szénhidrogén-bányászatban 59 Bódi, T.: Gyűjtőrendszer optimális telepítési helyének meghatározása számítógéppel 69 Dr. Bobok, E., Dr. Navratil, L., Tőrök, A., Udvardi, G.: Nehézolajok vízágyas szállításának egyszerű matematikai modellje 79 Csete, J.: Gázelosztó rendszerek szimulációja a 90-es években 85 Tihanyi, L.: Az Olaj- és Gázmérnöki szak képzési tapasztalatai és perspektívái 95 Dr. Szilágyi, Zs.: Az új gázipari műszaki-biztonsági szabályozás szakmai, tudományos alapjai 105 Komornoki, L P.: Increasing fh<» rapacity of 0.6 MPa working pressure gas distribution net, constucted from 1.6 MPa nominal pressure elements 109 Sztermen, A.: Subjective and objective risk assessment 117 Eperjesi, L.: Vezetékszakadások esetén kiáramló gáz mennyiségének becslése a végtelen nagy tartály modelljével 125 Debreczeni, E.: Pneumatikus szállítással kombinált marófej kifejlesztése a Geotechnikai Berendezések tanszéken 133 Dr. Debreczeni, E., Sümegi, L: Vízsugaras vágási kísérletek a Geotechnikai Berendezések tanszéken 145 Patvaros,J.: Möglichkeiten zur vielsteigen Nutzung von flözen mit grossem MethangehalL 155 Dr. Vőneky, G.: Textilbetétes gumiheveder rugalmas deformációja 165 Jambrik, R.: Environmental effects of closing the non-ferrous ore mine of Gyöngyösoroszi 177 293
Lénán, L.: A Bükk-térség fenntartható vízkészlet-gazdálkodása 191 Mádai, F.: A bükki mészkövek szöveti fejlődése a nyomási ikeresedés vizsgálata alapján 201 Dr. Bán, M.: Hévizek karbonátos vízkőkiválásainak termikus vizsgálata 213 Kovács, Zs.: Miskolci felhagyott kőfejtők környezetföldtani értékelése 221 Dr. Egerer, F., Namesánszki, K.: Ércpörkölés technológiai folyamatának optimalizálása röntgendiffrakcióval 231 Dr. Egerer, F., Kósik, G., Namesánszki, K.: Hulladéklerakók környezetföldtani problémái (Egy ipari hulladéklerakó környezetföldtani hatásvizsgálata) 237 Sándor, Cs., Kovács, B Szabó, /.; Süllyedés-számítás depóniatestek alatt 245 Dr. Somfai, A., Dr. Szalay Á., Dr. Bérczy, I.: Kőolajföldtani szempontú medenceanalízis 255 Szűcs P., Robonyi, A.: An applicable formation damage model in sandstone petroleum reservoirs 267 Turai, E.: Felszínközeli környezetszennyezések elektromágneses módszerekkel történő kimutathatóságának a vizsgálata 275 Némedi Varga, Z.: A mecseki kőszénkutatás eredményessége 283 294