Влияние горного давления на отбойку породы

На процесс механического разрушения пород оказывают влияние целый ряд факторов, к числу которых относятся характер нагружения инденторов, форма индентора и образование продуктов разрушения.

Влияние, характера нагружения индентора. По характеру действия в общем случае нагружение индентора может быть статическим и динамическим.

При статическом внедрении индентора действует медленно нарастающая или постоянная по величине нагрузка, от уровня которой, как было показано ранее, зависит конечный эффект вдавливания индентора.

Динамическое внедрение происходит при воздействии на индентор быстронарастающей по величине за сравнительно короткий промежуток времени нагрузки, при которой существенное значение приобретают силы инерции в разрушаемом массиве породы.

Динамические нагрузки в процессах разрушения горных пород при бурении скважин играют большую роль, как при ударно-вращательном способе бурения, так и при вращательном. Однако существуют способы, в которых главную роль играют статические нагрузки (задавливание ПРИ).

Основными параметрами, характеризующими действующие нагрузки при внедрении индентора, определяющими скорость деформации породы и конечные результаты процесса её разрушения, являются время нагружения, скорость нагружения (или скорость соударения индентора с породой) и величина создаваемой нагрузки, статической или динамической.

Время нагружения t характеризует период контакта индентора с породой, в течение которого нарастающая нагрузка достигает максимальной величины, вызывающей деформацию породы.

При статическом вдавливании время нагружения колеблется от 1,5 до 4 мин. При динамическом внедрении оно составляет 5,0-0,3510-4 с.

Скоростью нагружения VH является скорость нарастания нагрузки от нуля до максимума и, соответственно, напряжений в породе при вдавливании индентора, при котором происходит разрушение образца в некотором объёме

,

где VH - скорость нагружения, Па/с; σ - напряжение, возникающее в породе при вдавливании индентора, Па; tH - время нарастания напряжения до критического значения или время нагружения, с.

Скорость соударения индентора с породой Vc характеризует скорость встречи индентора с поверхностью образца породы при его перемещении (падении) или конечную скорость падения груза. При этом может перемещаться (падать с некоторой высоты) сам индентор или по нему наносит удар падающий груз-боёк. Измеряется этот параметр в м/с.

При исследованиях влияния этого фактора скорость соударения индентора с породой в некоторых опытах достигала >50 м/с. В практике бурения скважин она составляет значительно меньшую величину.

Влияние скорости нагружения при динамическом внедрении индентора сказывается, прежде всего, на проявлении ряда свойств и эффективности разрушения горных пород. Исследованиями установлено, что механические свойства горных пород (твёрдость, пластичность и др.), находящихся в любом напряженном состоянии, зависят от скорости деформирования (рис.1).

В пределах небольших скоростей соударения (от 0 до 5 м/с) влияние этого фактора на конечные результаты внедрения индентора практически не отличаются от случая статического вдавливания. При более значительных скоростях соударения многие показатели существенно меняются имея оптимальные значения: величина деформации породы и глубин лунки h разрушения достигают максимума только при определённых значениях скорости соударения (в рассмотренном случае - около 10 м/с) твёрдость на вдавливание индентора Рв и объёмная удельная работа разрушения АУ0Б с ростом скорости соударения Vc возрастают до какого-то момента медленно и далее довольно резко; коэффициент пластичности Кпл c ростом скорости соударения быстро уменьшается (для мрамора при 40 м/с он становится равным единице), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики изменения свойств пород в зависимости от скорости нагружения индентора: 5 - упругая деформация породы; h - глубина лунки разрушения; т - время контакта индентора с породой; Кп - коэффициент пластичности; Рш - твердость пород при вдавливании штампа; Р0 - предел текучести породы; Av - объемная удельная работа, затрачиваемая на разрушение породы (по данным ЛА Шрейнера и др.)

Отсюда видно, что эффективное разрушение породы возможно при условии, если время контакта индентора с породой будет соответствовать времени, в течение которого напряжения в породе достигнут критической величины и наступит её разрушение. В противном случае разрушение породы может не произойти или произойдёт только частично. Энергоёмкость процесса при этом возрастёт.

Причиной изменения параметров некоторых механических свойств горных пород и конечных результатов при внедрении индентора, в зависимости от скорости деформации, многие исследователи видят в протекании в материале при нагружении, согласно теории акад. В.Д. Кузнецова, двух процессов: упрочнения и разупрочнения, или "отдыха".

Когда происходит упрочнение наблюдается рост всех сопротивлений деформации твёрдого тела. В процессе "отдыха" эти сопротивления снижаются, на что необходимо некоторое время. Это определяется скоростью деформации. Степень влияния отдыха зависит от температуры, продолжительности процесса разрушения и величины предшествующего упрочнения.

Упрочнение материала при деформации связывается с искажением кристаллической решётки, что вызывает затруднение в сдвигообразовании. При динамическом нагружении эти искажения нарастают быстрее, чем при статическом. Такие искажения частично исчезают в результате "отдыха", но чем меньше время действия напряжения или выше скорость нагружения, тем в меньшей степени снимаются искажения, возникающие в кристаллических решётках, и тем больше сопротивление породы разрушению. Иными словами, при больших скоростях нагружения разупрочнение не успевает протекать полностью, как это имеет место при статическом (медленном) нагружении, и сопротивление породы разрушению возрастает.

Влияние характера и силы нагружения на эффективность разрушения пород носит также вполне закономерный характер, как было отмечено ранее, выражающееся определённой зависимостью.

При действии статической нагрузки, зависимость эффективности РГП от величины Р имеет нелинейный скачкообразный характер.

При динамическом внедрении индентора эффективность разрушения, а следовательно и объёмная работа разрушения зависят от скорости удара и массы ударника.

Исследованиями Л.А. Шрейнера установлено, что эта зависимость имеет экстремумы и выражается кривой, имеющей минимумы и максимумы функции A=f(q). Отсюда видно, что при небольшом уровне затрачиваемой энергии объёмная работа разрушения уходит в бесконечность, т.е. разрушения породы не происходит. Минимальные значения удельной объёмной работы разрушения соответствуют периодам цикла объёмного разрушения породы. В этом случае хорошо иллюстрируется характер разрушения породы при внедрении индентора. Периодичность максимумов является следствием цикличности процесса разрушения породы при внедрении индентора.

При исследованиях этого фактора наблюдается общая тенденция к снижению объемной работы разрушения и повышению КПД разрушения с увеличением энергии удара, при наличии максимумов и минимумов, что характерно для упруго-пластичных пород. Это связано, как было показано ранее, с проявлением некоторых свойств горных пород в зависимости от характера (скорости) действия нагрузки (рис. 1).

Влияние формы индентора также сказывается определенным образом на энергоемкость разрушения горных пород. Рациональной формой ПРИ, очевидно, будет такая, при которой сопротивление породы внедрению индентора будет минимально.

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