Основные факторы, влияющие на энергоемкость и характер разрушения угольных пластов

24.05.2018
Уже указывалось о ширине зоны опорного давления впереди очистных работ и распределении нагрузок в ней. Было показано, что нагружение пласта угля впереди забоя в значительной степени определяется глубиной горных работ, длиной очистного забоя, мощностью, прочностью и углом падения угольного пласта и механическими свойствами боковых пород. Отмечалось, что нагружение краевой части пласта, особенно в области, в которой уголь находится в предельно напряженном состоянии, не является стабильным, оно изменяется в зависимости от времени и режима производственных процессов. Характер и интенсивность нагружения в значительной степени определяются способами управления кровлей параметрами и видом добычных машин.

Влияние ширины захвата на эффективность разрушения пластов, опасных по горным ударам, наиболее наглядно может быть показано на основе анализа энергетической стороны вопроса. Необходимо хотя бы приблизительно оценить запасы потенциальной энергии в краевой части пласта и проследить пути реализации этой энергии в процессе выемки угля. Полный запас энергии будет складываться в данном случае из энергии, сосредоточенной в угле, и энергии, сосредоточенной в боковых породах. Причем необходимо учитывать еще и то, что уступ, образующийся впереди исполнительного органа выемочной машины, создает дополнительную концентрацию напряжений в угле и породах. Рассмотрим этот вопрос.

He зная истинного распределения напряжений в краевой части пласта, воспользуемся расчетом, выполненным по схеме, описанной в главе IV, применительно к условиям отработки пласта № 11 шахты им, Урицкого Кизеловского бассейна. На рис. 34 приводится полученное распределение нагрузок в зоне опорного давления для случая: Н = 700 м, m = 1,5 м, длина лавы 150 м, сопротивление угля раздавливанию на краю пласта o0 = 1000 т/м2.

Элементарный запас потенциальной энергии определим из выражения
Основные факторы, влияющие на энергоемкость и характер разрушения угольных пластов

Модуль упругости угля пласта № 11, полученный из натурных испытаний с помощью гидроподушек, равен 4*10в5 т/м2. При испытании образцов угля в лабораторных условиях значение модуля упругости колеблется в пределах от 3*10в5 т/м2 до 1*10в6 т/м2. Имея в виду, что в массиве угля, находящемся в условиях повышенного всестороннего сжатия, значение модуля может возрасти в сравнении с его значением вблизи обнажения, полученным при натурных испытаниях пласта, в расчете принимаем Е = 5*10в5 т/м2.

По результатам расчета построен график, отражающий зависимость количества высвобождаемой потенциальной энергии от глубины внедрения режущего органа в пласт (рис, 143).

Подчеркиваем, что приведенный расчет является ориентировочным и может отражать лишь порядок величин потенциальной энергии. Нас он интересует постольку, поскольку позволяет наглядно убедиться, что с увеличением ширины вынимаемой полосы угля количество высвобождаемой из угля энергии возрастает по параболическому закону.

Получить некоторое представление о запасах потенциальной энергии, накопленной боковыми породами и способной выделиться в процессе выемки угля, можно, если воспользоваться схемой, изображенной на рис. 144.

Предположим, что ширина захвата врубовой машины или комбайна равна «аb». На этом участке после зарубки исчезает опора между кровлей и почвой пласта и породы получают возможность разгрузиться за счет упругого расширения, Наиболее вероятная форма контура разгрузки, как это было показано выше, будет близкой, к полуэллипсу, меньшая ось которого равна ширине захвата. Правда, большая полуось в данном случае будет иметь некоторый наклон к горизонту, как это показано на рис. 144, но все же не будет большой погрешности, если поставить знак равенства между действительной шириной захвата машины «аЬ» и малой осью эллипса «a1b1».

Высота образовавшейся зоны разгрузки, равная большей полуоси эллипса, будет зависеть от ширины захвата и от прочности боковых пород. Как показано, высота зоны разгрузки составляет обычно от 1,2 до 2,5 пролетов выработки или, применительно к рассматриваемому случаю, ширины захвата.

На контакте с углем порода полностью освободится от действующих нагрузок оу. Вверх произойдет затухание разгрузки по определенному закону. Поведение пород почвы будет представлять собой картину, подобную описанной. При одинаковых механических свойствах породы можно, объединив два полуэллипса, рассматривать просто эллипс разгрузки.

Таким образом, зная закон распределения напряжений по контакту с угольным пластом и закон затухания разгрузки с удалением от зоны разрушения, можно ориентировочно подсчитать запас высвобождающейся при этом энергии.

Подсчет количества потенциальной энергии, высвобождающейся из боковых пород в момент разрушения края пласта на ширине «b», (аb на рис. 144) может быть выполнен также из выражения, подобного выражению (15):

где S — площадь сегмента, определяющего величину сближения пород в результате разгрузки с хордой равной «b» и стрелой l0.

Из выражения (14) можно видеть, что величина l0 составляет немногим более 0,1 % от величины «b», что дает право в целях упрощения расчета заменить площадь сегмента площадью прямоугольника со сторонами b/2 и l0. Поставив значение S, а также заменив l0 согласно выражению (14), получим окончательно:

На рис. 145 приводится график, отражающий зависимость количества упругой энергии в боковых породах от ширины захвата добычной машины применительно к рассматриваемым условиям шахты им. Урицкого. При расчете принят закон распределения оу, приведенный на рис. 34. Модуль упругости кварцевых песчаников, залегающих в кровле и почве пласта, принят равным 5*10в6 т/м2. Величина е0 подсчитывалась по формуле

Из приведенного графика, так же как и из графика, представленного на рис. 143, следует, что ширина захвата является одним из определяющих факторов, с помощью которого можно существенно влиять на величину высвобождающейся потенциальной энергии в системе «боковые порода — уголь» в районе работающей добычной машины, а следовательно, и влиять на характер и интенсивность разрушения угольного пласта.

Доля и степень влияния потенциальной энергии, запасенной в угле и в породах, разные. Так, если практически почти вся энергия, запасенная в пласте угля, идет на разрушение пласта и его отброс при проявлении толчков, микроударов и горных ударов, вызываемых в момент внедрения, то энергия боковых пород только частично участвует в разрушении угля; более значительная часть ее передается на соседние участки и расходуется на образование сейсмических волн. Поэтому простое суммирование этих двух источников энергии для выяснения условий использования энергии горного давления для разрушения пластов не является оправданным.

При всех предыдущих рассуждениях мы исходили из распределения оу впереди очистного забоя, представленного на рис. 34. Вместе с тем, как это установлено исследованиями, впереди бара добычной машины возникает добавочная зона опорного давления, величина нагрузок в которой существенно зависит от длины бара.

Аналитическое решение для выяснения этой зависимости в настоящее время выполнить трудно. Некоторое представление можно получить, если обратиться к схеме, изображенной на рис. 146.

Подвигание уступа шириною «ab» приводит к перераспределению напряжений в краевой части пласта за счет ликвидации распора между кровлей и почвой. Исходя из условий «тяготения» к опорам подработанных основных пород, можно ориентировочно предположить, что силы горного давления, перераспределившиеся около уступа, сняты с площади квадрата abdc.

Сумма этих сил может быть определена из выражения

о0 — напряжение на груди забоя лавы;

oi — напряжение в зоне опорного давления па расстоянии длины бара машины;

bi — ширина захвата, равная «аb» на рис. 146.

Сила P распределится на. площади S1 впереди бара машины и на площади S2 позади бара. К массиву угля впереди бара больше тяготеют силы, «снятые» с площади A abc, силы же, «снятые» с площади A bcd, тяготеют больше к краевой части массива угля позади бара машины. Однако точной границы здесь, конечно, проводить нельзя, да это и не имеет для рассматриваемого вопроса существенного значения.

Из выражения (65) следует, что при увеличении ширины захвата сила P будет возрастать по закону параболы третьей степени. Таким образом, воздействие дополнительного опорного давления, возникающего впереди добычного уступа, также очень сильно зависит от ширины этого уступа.

He представляется возможным дать полное описание характера распределения дополнительных напряжений на площади S1. Отметим лишь, что решение здесь не может быть однозначным, так как распределение напряжений будет зависеть от многих факторов, в том числе очень существенно от режима работы машины и формы ее исполнительных органов. He зная картины распределения напряжений, нельзя подсчитать и запасы упругой энергии, накапливаемой в боковых породах в результате воздействия уступа. Характер же высвобождения энергии из боковых пород в данном случае и принцип расчета ее величины не будет существенно отличаться от рассмотренных выше (64), и поэтому на этом вопросе останавливаться не будем.

Изложенные представления о характере и степени влияния ширины захвата подтверждаются результатами исследований на моделях из вальцмассы и оптически активных материалов.

На рис. 147 приводятся результаты объемного моделирования на вальцмассе влияния ширины захвата на количество энергии, накопленной пластом на кромке уступа, т. е. непосредственно впереди бара.

Подобные результаты, полученные на объемных моделях из оптически активных материалов, приводятся на рис. 148.

Из приведенных графиков следует, что зависимость количества упругой энергии, запасенной пластом угля впереди бара машины и способной выделиться в период зарубки, от ширины захвата может быть апроксимирована параболой третьей степени.

Таким образом, изменяя ширину захвата добычной машины, в каждом конкретном случае можно высвобождать столько энергии горного давления, сколько необходимо и достаточно для безопасного и эффективного разрушения угольного пласта.

Ширина захвата является основным фактором, с помощью которого можно осуществлять управление удароопасностью процесса выемки угля и тем самым добиваться, с одной стороны, исключения опасных проявлений горного давления, а с другой — использовать эффект хрупкого разрушения пласта угля для его выемки.

Следующим фактором, влияющим на характер и степень высвобождения потенциальной энергии при выемке угля, является скорость внедрения.

Допуская упруго-пластическое деформирование краевой части пласта угля, попадающей в зону повышенного опорного давления, можно говорить, что каждой скорости нагружения будет соответствовать свое предельное распределение напряжений. Дальнейшее увеличение нагрузок при той же скорости нагружения не вызовет изменения напряжений в той части краевой зоны, которая находилась ранее в предельном состоянии, но, очевидно, при этом увеличатся размеры зоны в глубь массива. Краевая часть пласта имеет предельное для данной скорости нагружения насыщение потенциальной энергией. При максимально возможной скорости пластического деформирования количество потенциальной энергии будет наибольшим. При превышении же указанной скорости произойдет хрупкое разрушение с высвобождением накопленной энергии. Значение этого положения особенно возрастает при применении широкозахватных добычных машин.

При достаточно больших скоростях нагружения напряжения в пласте угля не успевают выравниваться, поэтому бар подсекает область угля с напряжениями более высокими, чем временное сопротивление сжатию элемента пласта угля в месте зарубки. Результатом этого может быть хрупкое разрушение пласта.

В предыдущем параграфе мы видели, что впереди бара машины располагается краевая часть пласта с весьма высокой концентрацией напряжений. Переход ее в предельно напряженное состояние может осуществляться либо спокойно и постепенно, либо мгновенно, в виде толчков, микроударов и горных ударов. Характер разрушения во многом зависит от скорости подачи исполнительного органа добычной машины.

Влияние скорости внедрения на высвобождение энергии горного давления для разрушения пласта угля изображено схематически на рис. 149.

Предположим, что до зарубки напряжение по нормали к пласту в некотором расстоянии впереди забоя лавы, меньшем ширины захвата, равнялось о1. Впереди режущего органа образуется своя зона опорного давления. В случае, когда максимально возможные напряжения в этой зоне (о!) превышают o10 — временное сопротивлению сжатию пласта в месте зарубки (рис, 149, а), хрупкое разрушение может произойти, если скорость изменения напряженного состояния (Vн) превысит максимально возможную скорость перехода пласта в предельное состояние за счет пластической деформации (Vпред). Если же Vн < Vпред, то произойдет постепенное выравнивание напряжений за счет пластического деформирования. В случае же, когда максимально возможные напряжения о11 < o10 (рис. 149, б), то при всех скоростях нагружения возможность хрупкого разрушения исключается.

Таким образом, распределение напряжений в пласте угля определяется соотношением скорости нагружения, зависящей от скорости подачи бара, и скорости выравнивания напряжений в пласте, или, иначе говоря, скорости выхода пласта из-под нагрузки за счет пластической деформации. Каждый угольный пласт имеет, очевидно, свою предельную скорость пластического деформирования, превышение которой ведет к хрупкому разрушению, если напряжения при этом превышают о10.

Натурными исследованиями механических свойств угольных пластов установлено, что степень опасности пласта по горным ударам зависит от «процентного содержания» упругих деформаций по отношению к общим деформациям в пласте угля иод нагрузкой. Предельные же скорости пластического деформирования находятся, очевидно, в обратной зависимости от этого показателя.

Многочисленные инструментальные и визуальные наблюдения за работой врубовых машин, комбайнов, электросверл, канатных пил, отбойных молотков и даже обушков показали существенную зависимость характера разрушения пласта, опасного по горным ударам, от скорости внедрения в него.

И, наоборот, при отработке пластов, на которых эффект хрупкого разрушения не может быть использован, а разрушение достигается только за счет собственного веса угля, более медленное подвигание исполнительного органа будет способствовать более эффективному разрушению пласта.

Важным параметром при внедрении в напряженный уголь является высота зарубной щели, Прежде всего очевидно, что чем меньше высота щели, тем меньше энергоемкость процесса зарубки, а следовательно, и выемки угля. Вместе с тем известно, что концентрация напряжений у края щели (трещины) возрастает с уменьшением радиуса закругления ее края.

Для иллюстрации приводим график (рис. 150), отражающий зависимость коэффициента концентрации напряжений у края зарубной щели от диаметра фрез режущего органа канатной пилы. При построении указанного графика использован способ расчета концентрации напряжений у дна выточки с радиусом закругления р и глубиной t, проделанной в стержне, к которому приложена равномерно распределенная растягивающая сила P.

Указанный расчет выполнен для идеализированных условий, т. е. в предположении, что, во-первых, угольный пласт — упругое тело, во-вторых, распределение нагрузок на расстояние до 1 м от края равномерное, в-третьих, концентрация напряжений, вызванная режущим органом, распространяется впереди его не более чем на 0,7 м. Тем не менее, характер приведенной зависимости, очевидно, имеет место и в действительности. Таким образом, чем меньше диаметр режущего органа канатной пилы, тем большую концентрацию напряжений вызывает зарубка пласта и повышается, следовательно, эффект его хрупкого разрушения. Поэтому одним из направлений горного экспериментирования на будущее должно остаться опробование, например, режущих органов канатной пилы с уменьшенным диаметром (до 50, 40, 30 мм). Кроме лучшего использования горного давления для хрупкого разрушения угля, уменьшение диаметра фрез позволит еще больше снизить энергоемкость процесса выемки угля и приведет к значительному снижению веса установки канатной пилы и к облегчению ее монтажа.

Существенное значение имеет форма, а также и местоположение исполнительного органа в угольном пласте.

На рис. 151 приводятся некоторые характерные случаи, из которых можно представить влияние формы и расположения исполнительного органа на степень высвобождения упругой энергии при выемке угля. Рис 151, а показывает, что расположение плоского бара машины у почвы пласта может дать больший эффект хрупкого разрушения, чем при расположении его в середине пласта. Угол, который образует бар с линией забоя, также может существенно сказаться на этом эффекте. Из приведенных на рис. 151, б случаев наиболее эффективное использование энергии горного давления при одной и той же длине бара может быть получено при расположении бара по схеме II, наименьшее — при расположении по схеме III.

Мы не можем воспроизвести здесь все возможные на практике варианты положения и формы исполнительных органов, а тем более взаимное расположение их элементов, когда в машине используются комбинированные исполнительные органы, в состав которых часто входят в различном сочетании цепные, дисковые, барабанные, буровые, корончатые и другие типы исполнительных органов. Отметим лишь, что в каждом конкретном случае возможно изучить, например на моделях из оптически активных материалов, характер и степень влияния исполнительного органа и его отдельных элементов на напряженную систему, в которой находится отрабатываемый пласт, и подобрать в результате этого оптимальную схему, которая обеспечит наименьшую энергоемкость разрушения угольного пласта.

Таким образом, если изменением таких параметров, как глубина и скорость внедрения, можно существенно влиять па степень использования энергии горного давления для разрушения пластов по всей мощности, то выбором формы исполнительного органа и соотношением в пространстве отдельных его составных частей можно добиться снижения энергоемкости добычной машины за счет использования высоких напряжений в пласте угля для внедрения в него.

Комплексное рассмотрение перечисленных вопросов позволит создать «умные» машины, способные разрушать угольный пласт с наименьшими затратами, тем более, что в ряде случаев отработки пластов, опасных по горным ударам, от добычной машины требуется скорее управление процессом разрушения угольного пласта, чем его разрушение. Наиболее ярко это проявилось, например, при использовании канатных пил на шахте «Нагорная» Кизеловского бассейна и на шахте № 10/16 Сучанского месторождения, когда разрушение угля в форме ударов часто обгоняло режущий орган, который в данном случае использовался лишь для регулирования процесса разрушения пласта в пространстве и во времени.