Влияние горного давления на отбойку породы

2. Влияние горного давления на отбойку породы

Массив горной породы находится в напряженном состоянии под действием силы тяжести налегающих пород и тектонических сил, то есть — горного давления. Положим, что это напряжение равно γ. Для разрушения породы в объеме V требуется определенное количество энергии, порядка , независимо от того, каким способом эта энергия введена в объем V, и какой вид этой энергии. Напряжение γ, созданное горным давлением, обусловливает аккумулирование в породе энергии , следовательно, для разрушения породы потребуется меньше энергии от внешнего источника, а именно

, (1)

где η — к.п.д. процесса, применяемого для разрушения породы, например, для механического разрушения  определяется по , для термического процесса — по (1) и т.д.

 Уравнение (1) справедливо для любых видов энергии и способов разрушения породы. Разрушение породы произойдет после введения энергии Q в разрушаемый объем V породы, причем чем больше напряжение в породе γ, тем меньше требуется затратить энергии от источника и в пределе при условии  от источника энергия не потребляется, а разрушение породы происходит под действием горного давления. В противоположном случае, когда горным давлением можно пренебречь, то Q=kV/E разрушение породы происходит только под действием напряжений, создаваемых в породе внешним источником энергии. Очевидно целесообразно использовать природную, дармовую энергию горного давления для управляемой отбойки, экономя энергию любого внешнего источника, что существенно повысит производительность машин, так как снижается энергоемкость отбойки породы. В настоящее время действие горного давления широко используют при добыче угля: отбойку ведут в зоне опорного давления, где концентрация напряжений γ максимальна. Для отбойки применяют узкозахватные комбайны, отбивающие уголь вдоль лавы полосой шириной около 0,6 м и струги, отбивающие уголь стружкой толщиной до 0,2 м. При такой технологии получены максимальная производительность машин, при минимальной энергоемкости. Применение взрывной отбойки в зоне опорного давления так же дает положительные результаты: расход бурения и взрывчатого вещества уменьшается. Активное влияние горного давления отмечено при поверхностном электротермическом разрушении: в зоне повышенного горного давления скорость разрушения существенно повышается. Преобразуем уравнение (1) для конкретных видов энергии: для механической энергии , следовательно, получаем

. (2)

Для термического способа разрушения принимает вид:

(3)

Для конкретного способа термического разрушения в (3) нужно определить среднюю температуру Т рабочего тела: для объемного разрушения можно применить значение V₀, полагая V₀ в форме сферы с радиусом h= соответственно

,

А формула (3) принимает вид

 (4)

Для поверхностного термического разрушения V₀ принимаем в виде Sh = V₀, где S — площадь облучаемой поверхности. С учетом значения V₀, формула (3) может быть преобразована к виду:

 (5)

Из формул (2 - 5) следует, что увеличение напряжения γ от горного давления снижает потребление энергии от внешнего источника, поэтому при постоянной мощности машины N, ее производительность увеличивается:

Влияние горного давления на эффективность отбойки породы используют для определения величины горного давления, действующего в породном массиве: поскольку для конкретной машины или способа разрушения породы величину энергии, введенной в породу, можно считать известной величиной, то измеряя отбитый объем V породы с известными свойствами, определяют величину напряжения, действующего в массиве и вызванного горным давлением: например, для механического способа отбойки из (2) получаем, что

 (6)

Для определения напряжений в пласте угля изменяют количество штыба, образующегося при бурении шпура коронкой определенного диаметра: штыба выходит из шпура больше, чем должно быть в соответствии с диаметром коронки. Увеличение объема штыба связано с действием горного давления в пласте угля. В прочных породах объем шпура остается постоянным, но увеличивается скорость бурения: v = V/St, применив V из (2) получим:

 (7)

где S — площадь сечения шпура. Измеряя скорость бурения шпура, вычисляют значение γ.

 (8)

Для прочных хрупких пород ВНИМИ разработан метод определения удароопасности массива горных пород, основанный на делении керна, выбуриваемого в породе, на диски: при увеличении горного давления в данном объеме породы, керн из этого объема делится на большее число дисков, то есть прирост энергии деформаций породы горным давлением расходуется на увеличение новой поверхности S. Для определения γ в этом случае формулу (6) следует подставить вместо V величину SL:

 (9)

Определение горного давления по скорости бурения требует строго фиксировать величину Q, что практически затруднено из-за изменения давления сжатого воздуха, затупления коронки и т.п. Определение горного давления по дискованию керна более достоверно и поэтому широко применяется на рудниках.

Поверхностное разрушение породы в шпуре или скважине дает возможность определить значение γ.

 (10)

Породу всей поверхности шпура с постоянной плотностью мощности g облучают специальными генераторами, которые позволяют удалять из шпура разрушенную породу. В массиве породы образуется полость в сечении имеющая форму эллипса. Размер эллипса в каждом сечении шпура зависит от величины горного давления, действующего в данном сечении шпура и соответственно — массива породы. Определив объем породы в данном сечении полости V, по формуле (10) вычисляют значение действующего в этом сечении напряжения γ. Таким образом визуально определяется распределение напряжения γ в породе, устанавливается сечение, в котором это напряжение максимально. Положение эллипса в пространстве массива фиксирует направление вектора максимального сжимающего и растягивающего напряжения — составляющих γ максимальное растягивающее напряжение действует параллельно длинной оси эллипса, а максимальное сжимающее напряжение — перпендикулярно указанной оси. Рассмотренные методы дают возможность определить удароопасность массива породы, а последний метод — позволяет снизить удароопасность.

Разрушающая деформация  при термическом разрушении горных пород имеет небольшие значения:  из-за малого значения коэффициента теплового расширения породы . Величину  можно регулировать изменяя размер нагреваемого рабочего тела и температурой Т. Ограничения налагает технология отбойки породы и экономические соображения: увеличение 1 и Т связано с увеличением затрат энергии на разрушение. В среднем, значение  имеет значение порядка 1 мм, соответсвенно и ширина трещины получается такой же величины. По этой причине окончательное отделение отбиваемого объема V породы от массива затруднено: отбитый объем определяется трещинами от массива, но задерживается на массиве, цепляясь выступами, впадинами, ступеньками скола. Только в весьма упругих породах с мелкой зернистостью отбитый термическим способом объем V отделяется окончательно от массива за счет упругой энергии, запасенной в рабочем теле V₀:

и отбиваемом объеме V, а так же массиве, окружающем рабочее тело. Эта энергия достигает половины работы, образующейся при расширении рабочего тела. В породах малоупругих, с малым содержанием энергии в рабочем теле, отбитый и задержавшийся на массиве объем породы необходимо отделять дополнительными воздействиями, например, механическим. При поверхностном разрушении в виде воздействия достаточно струи газа, поскольку отбитые куски удерживаются на массиве малой силой. Потребность в дополнительном воздействии для окончательного отделения отбитых кусков является основным недостатком термического разрушения. Достоинством этого способа разрушения является отсутствие породоразрушающего инструмента, поскольку порода сама себя разрушает, а передача энергии осуществляется бесконтактно. Достоинством термического способа разрушения является повышение эффективности при увеличении прочности породы.

 

Расчетная часть

 

 

f – коэффициент трения резцов коронки о породу;

А – коэффициент, учитывающий свойства горных пород и характер процесса их разрушения;

h – величина углубки забоя на один оборот коронки;

 - наружный диаметр ПРИ;

 - внутренний диаметр ПРИ;

 - осевая нагрузка;

n – частота оборотов коронки.

 кВт

 

Заключение

Снижение вредного влияния горного давления при ведении работ является одним из главных принципов безопасной отработки месторождений, склонных к горным ударам. Оно достигается путём соответствующих раскройки и отработки рудничных полей, ведения горных работ широким фронтом с планомерным развитием их в направлении от выработанных пространств на массив руды с минимальным количеством выработок в массиве и без оставления целиков, совершенствования технологии разработки месторождений, применения опережающей разработки защитных рудных тел или создания искусственных полостей в массиве горных пород, использования закладки.

Существенной мерой защиты от последствий горных ударов, является выбор направление проведения горной выработки и наиболее устойчивой формы поперечного сечения с учётом величины и направления главных напряжений в массиве. Большинство рудных месторождений находятся в условиях неравномерного поля напряжений при преобладании горизонтальных напряжений над вертикальными. Одним из характерных признаков их проявлений является формирование шатровой формы выработок после обрушения

 

Список литературы

1. С.С. Сулакшин, «Разрушение горных пород при бурении скважин»

2. Протасов, «Разрушение горных пород».