Використання потенціальної енергії пружних деформацій масиву в процесі крихкого руйнування корисного компоненту при видобутку

Запаси потенційної енергії, що накопичується у результаті пружної деформації привибійних частин масиву ударо- і викидо-небезпечних шарів і покладів, настільки великі, що часто приводять до бурхливого руйнування більш-менш значних частин масиву з інтенсивним крихким подрібненням.

У практиці гірських робіт давно замічено, що при високій напруженості входження видобувних інструментів у масив і відділення шматків корисної копалини від масиву часто значно полегшуються. Наприклад, швидкість буріння шпурів і свердловин у сильно напруженому масиві зростає іноді в 2…3 рази, причому зустрічаються ділянки, на яких буровий інструмент входить в масив при мізерно малих осьових зусиллях. У 1,5…2 рази і більше зростає в таких умовах продуктивність забійників, які ведуть видобуток із застосуванням відбійних молотків. При виконанні прохідницьких чи очисних гірських робіт буровибуховим методом коефіцієнт ви-користання шпурів в ударо- і викидонебезпечних умовах звичайно стає більшим одиниці. На деяких шахтах при проходці виробок систематично відбуваються так звані «самовідпали», які представ-ляють собою мікроудари.

Теоретичний розгляд питання про запаси енергії в привибійних частинах масиву корисної копалини і експерименти на моделях показують, що із збільшенням ширини привибійної полоси корис-ного компоненту, що відбивається, кількість звільненої потенційної пружної енергії росте за законом, який приблизно може бути охарактеризованим рівнянням параболи третього ступеня. Загаль-ний баланс енергії складається з пружної енергії, зосередженої в корисній копалині, і енергії, зосередженої в породах. Крім того, уступ, що утворився попереду виконавчого органу виймальної машини, створює додаткову концентрацію напружень в шарі корисного компоненту і породах, в результаті чого запаси потен-ціальної енергії в привибійній зоні підвищуються.

Оскільки кількість пружної енергії, яка переходить із потен-ціальйної в кінетичну з збільшенням ширини полоси корисного компоненту, що виймається росте досить інтенсивно, змінюючи ширину захвату виймальної машини, можна активно і притому в значній мірі регулювати процес вивільнення енергії гірського тиску, забезпечуючи в конкретних гірничо-геологічних умовах вивіль-нення такої кількості потенціальної енергії за одиницю часу, яка необхідна і достатня для безпечного і ефективного руйнування корисного компоненту.

Варіюючи ширину захвату і швидкість впровадження виконав-чого органу виймальної машини, можна, з однієї сторони, досягти виключення небезпечного прояву гірського тиску, а з іншої – використовувати вивільнену потенціальну пружну енергію для крихкого руйнування корисного компоненту та його виймання. При цьому швидкість входження в корисну копалину виконавчого органу виймальної машини дозволяє у відомих межах керувати процесом переходу пружної енергії в енергію роботи по пластичному деформуванню і руйнуванню привибойної частини корисної копалини. При достатньо високих швидкостях наванта-ження пружні напруження в шарі корисної копалини не встигають вирівнюватись. Внаслідок цього виконавчий орган виймальної ма-шини підсікає область масиву з більш високими напруженнями, чим тимчасовий опір стиснення елемента масиву в місці зарубки. Це призводить до процесу крихкого руйнування. Зниження швид-кості входження дозволяє послабити процес крихкого руйнування чи взагалі виключити його. З іншої сторони, мінімальне руйнування корисної копалини ріжучим органом дозволяє максимально вико-ристовувати потенціальну енергію для крихкого руйнування частини копалини, що підрізається.

Ці принципи прийняті в якості основи створення спеціальних гірських машин. Одним із типів таких машин, які пройшли широкі промислові випробування і практичне застосування на ударонебез-печних вугільних пластах є канатні пили (рис. 1).

Використання канатних пил дозволило здійснювати безлюд-ний видобуток вугілля при мінімальних енергетичних вит-ратах на руйнування.

Про енергетичну ефектив-ність використання гірського тиску при видобутку можна судити на основі порівняння значень конструктивного пока-зника подрібнення корисного компоненту:

(1)

де V₁ – об’єм корисного компо-ненту, безпосередньо зруйнова-ного різцями виконавчого орга-ну; V – загальний об’єм видобу-того корисного компоненту.

Показник К_п для різних ти-пів врубових машин для вугіль-ля, не передбачаючих вико рис-тання ефекту крихкого руйну-вання, складає 20…100%, при використанні ж канатних пил лише 1…5%. Таке велике зниження енергоємності процесу руйнування дозволяє істотно спрощувати конструкції видобувних машин, забезпечуючи їм більш високу надійність.

Досвід показав, що прорізування канатними пилками тонких щілин (товщиною 3…10 см) з поглибленням на 15…20 см на плас-тах, схильних до крихкого руйнування і особливо небезпечних по гірських ударах, приводило до мікроударів, у результаті яких пласт руйнувався на всю його потужність, причому руйнування часто випереджало ріжучий орган.

Поряд зі способом виймання корисних копалин за допомогою канатних пилок перспективними способами, заснованими на вико-ристанні потенціальної пружної енергії привибійного масиву, мо-жуть бути: дистанційне буріння свердловин великого діаметра (250…300 мм і більше); комбіноване застосування свердловин з різальними інструментами); гідророзмивання корисної копалини через свердловини малого діаметра, при якому поряд з подрібне-нням копалини відбувається його руйнування під дією реалізованої пружної енергії.

Дуже перспективний спосіб провокування раптових викидів за-даної енергії, тобто регульованих викидів при проходці виробок по викидонебезпечним породам з використанням для такого регулю-вання щитів, що перекривають вироблення. Цей спосіб може бути успішно застосований і при веденні очисних робіт на могутніх шарах і покладах.

Значної уваги заслуговує пропозиція С.Г. Авершина та І.М. Пє-тухова про кероване руйнування корисної копалини в привибійних напружених зонах шляхом прикладення додаткової необхідної енергії за допомогою вібраційних машин. Можливості широкого варіювання частотним спектром порушуваних пружних коливань і наближення їхніх частот до резонансних дозволяють максимально використовувати енергію на руйнування і роблять цю пропозицію дуже перспективною.

ДОДАТКИ

Додаток А. Знання та навики, які повинен отримати студент при вивченні курсу,,Механіка гірських порід”

Вміти оцінити:

- геомеханічну ситуацію щодо виробки, яка розглядається: геологічних, гідрогеологічних, структурних і текстурних особливо-стей породного масиву;

- оцінити межу міцності гірських порід на одновісне стиснення, розтяг, зсув;

- розрахувати величину коефіцієнта структурного послаблення;

- розрахувати ймовірність підняття порід підошви виробки: теорії вздуття порід підошви; способи протистояння вздуттю порід підошви;

- розрахувати параметри кріплення підземної виробки: теорії гірського тиску; системи кріплення; конструкції кріплення.

Додаток Б. Теми рефератів

1. Пружні властивості гірських порід і оцінка впливу мінераль-ного складу, шаруватості, пористості та зовнішніх полів на модуль пружності.

2. Розподілення пружних коливань і оцінка акустичних характе-ристик гірських порід.

3. Оцінка залежності поширення пружних коливань від внутріш-ніх і зовнішніх факторів та дія пружних коливань на гірські породи.

4. Теорії міцності твердих тіл. Вплив дефектів і мінерального складу на міцність порід.

5. Теорії міцності твердих тіл. Вплив будови гірських порід на їх міцність.

6. Теорії міцності твердих тіл. Вплив зовнішніх факторів на міц-ність гірських порід.

7. Оцінка зв’язку пружних і міцнісних характеристик порід у зразку та масиві.

8. Оцінка пластичних і реологічних властивостей гірських порід.

9. Оцінка напружень і деформацій у гірських породах.

10. Основні моделі механіки суцільних середовищ.

11. Основні моделі механіки суцільних середовищ. Реологічні моделі.

12. Напружено-деформований стан суцільного середовища. На-пружений стан у точці.

13. Напружено-деформований стан гірського масиву. Розподі-лення напружень навколо підземних виробок.

14. Механічні процеси в масивах порід, які містять гірські ви-робки і аналітичні методи дослідження цих процесів.

15. Розрахункові схеми взаємодії масивів гірських порід з під-земними спорудами та їх класифікація.

16. Формування навантаження на конструкції підземних спо-руд.

17. Вплив форми вибою на напружений стан привибійного простору гірничої виробки.

18. Огляд досліджень зміни напруженого стану масиву гірських порід навколо підготовчих виробок.

19. Зміцнення порід, як спосіб підвищення стійкості виробок.

20. Аналіз досліджень прояву гірського тиску у вертикальних стволах на великих глибинах.

21. Дослідження співвідношення між загальним коефіцієнтом міцності і контактною міцністю гірських порід.

22. Аналіз досліджень раціональної величини площі перерізу виймальних штреків.

23. Методи боротьби з вздуттям порід у гірських виробках.

24. Фізико-механічні властивості слабометоморфізованих гірсь-ких порід та коефіцієнт бокового розпирання.

25. Визначення фільтраційних властивостей гірських порід у шахтних умовах.