Механизмы влияния больших скоростей периодического подвигания лавы



Предыдущая | Следующая

 

Механизмы влияния больших скоростей периодического подвигания лавы на проявления опорного давления ДУДУКАЛОВ Валентин Павлович УФ ОАО ВНИМИ Cтатья завершает исследования по выбранной теме, начатые в [1]. Исследования оказались достаточно сложными, содержащими ряд ранее неизвестных закономерностей, процессов, их упрощений и схем. Поэтому ознакомление с полученными результатами желательно проводить в последовательности публикации этих статей, сочетая с изучением промежуточных результатов исследований автора согласно постатейному списку литературы. В противном случае усилия разобраться в материале могут быть обречены на провал, что недопустимо, поскольку в основном полученные результаты важны для повышения безопасности ведения очистных работ лавами на угольных пластах Ключевые слова: скорость подвигания лавы, опорное давление, процессы деформирования, величина сближения кровли-почвы Исследованиями влияния увеличения средней скорости периодического подвигания лавы (Vл) на протяженность зоны проявления опорного давления (ЗПОД) установлено, что в широком диапазоне изменения Vл, начиная с некоторой достаточно большой ее величины, наблюдается уменьшение протяженности ЗПОД [2]. Из рассмотрения графиков суммарных величин сближения кровли-почвы (ССКП) в переходных процессах деформирования в ЗПОД следует, что отмеченная особенность влияния средней скорости подвигания лавы возможна в случаях ее превышения скорости подвигания, при которой величина ССКП в данных условиях достигает максимума. Это обстоятельство показательно, поскольку взаимно подтверждает корректность выявленной особенности изменения ЗПОД и состоятельность развиваемых представлений о влиянии скорости подвигания лавы.
Момент возникновения максимума ССКП представляет собой своеобразный рубеж, с которого при дальнейшем росте Vл постепенно сходят на нет величины ССКП, что означает увеличение хрупкости пород, переход к более упругому их поведению в ЗПОД [3,4] и к усилению удароопасности [5,6]. Эти особенности дают основание условно считать, что пауза переходного процесса, равная tлм, и соответствующая ей скорость подвигания лавы Vлм, при которых в данных горно-геологических условиях и реологических свойствах пород возникает максимум ССКП, могут быть критериями большой скорости подвигания лавы.
Определение этих параметров на основе уравнения переходных процессов [7] производится по формулам:
tлм= (а-b) -1 (ln A — ln B);
Vлм=30 n Lш/ [tд+ (ln А-ln B) (a — b) где: А — максимальное увеличение ССКП в начале паузы периодического или цикличного подвигания лавы на удалении х впереди лавы; а — параметр, определяющий интенсивность изменения ССКП во времени, зависящий от реологических свойств толщи пород; t — текущее время от начала паузы и до ее завершения;
В — максимальное уменьшение ССКП на расстоянии х впереди лавы; b — параметр, характеризующий интенсивность влияния процессов релаксации напряжений; n — количество добычных смен в сутки; Lш — шаг подвигания за цикл; tд — длительность движения забоя в цикле.
Подвигание лавы в режиме V л?V лм сохраняет механизм прогрессирующего роста опорного давления [1], но в связи с уменьшением величин ССКП снижается также интенсивность влияния этого механизма в последовательности ряда циклов подвигания, что объясняет и снижение интенсивности вторичных осадок основной кровли [8], и увеличение шага периодических ее осадок [8, 9].
В режиме скорости подвигания лавы Vл?Vлм особое место занимают остатки потенциалов энергии упругого последействия.
Согласно [1] остаток потенциала одного цикла определяется общей формулой:
Uос= Umax — Uц, где: Umax — максимально возможное сближение кровли-почвы в переходном процессе, возникающее при пороговой длительности паузы, равной tп; Uц — сближение кровли-почвы по завершении цикла, продолжительностью tц.
Составляющие формулы (3) при заданных условиях, свойствах пород и скорости подвигания лавы приводят к расчетной формуле:
Uос =Umax — Uц = {(Ax/a) • [(tп +exp (— a•tп) /a — 1/a] — — (Bx/b) • [(tп +exp (— b•tп) /b — 1/b]} — {(Ax/a) • [(tц+ +exp (— a•tц) /a — 1/a] — (Bx/b) • [(tц +exp (— b•tц) /b — 1/b]} (4) При неизменных реологических свойствах пород пороговая длительность переходного процесса tп является постоянной величиной [1]. Тогда по мере роста скорости подвигания лавы и соответствующего уменьшения паузы цикла tц остаток потенциала возрастает от нуля и до его предельной величины, равной Umax. Однако это справедливо лишь при Vл Из этого анализа вытекает, что в широком диапазоне изменения Vл остаток потенциала имеет максимум, возникающий при Vлм. Полагаем, что точка возникновения максимума остатков потенциалов является наиболее опасной в отношении проявления неожиданных горных ударов. При последующем росте Vл остаток потенциала постепенно убывает, и уменьшается интенсивность пучения почвы.
На рис. 1 показаны схемы предполагаемого характера изменения суммарных кривых ССКП в переходных процессах деформирования пород при увеличении средней скорости подвигания лавы.
Эти кривые показывают изменения ССКП в некоторой одной точке ЗПОД и одном цикле в условиях установившейся средней скорости Vл.
Как видим, усиление упругого деформирования при росте V л. может в пределе привести к вырождению кривых ССКП и полному переходу к упругому деформированию с прекращением влияния времени на деформирование пород.
В сущности, рост скорости подвигания забоя трансформирует характер деформирования пород в деформирование, аналогичное породам с более упругими свойствами. Обратная трансформация характера деформирования пород ожидается и при уменьшении скорости подвигания забоя.
В этом случае породы обнаруживают повышение проявлений реологических свойств. Эффекты трансформации поведения пород при смене скорости их нагружения найдут применение в задачах управления проявлениями горного давления. Отметим также, что в связи с эффектами трансформации при значительных изменениях V л необходимо выявлять кривые суммарных изменений ССКП в переходных процессах соответствующих действующей средней скорости подвигания лавы.
В связи с повышением Vл растет интенсивность релаксации напряжений [11]. На рис. 2. показано проявление переходного процесса и влияние роста интенсивности релаксации напряжений в режиме Vл?Vлм, проявляющееся в увеличении наклона нисходящей ветви кривой ССКП.
Наблюдения проведены Уральским филиалом ВНИМИ на Интинском месторождении (шахта №2, пласт 4, рельсовый промежуточный штрек, глубина залегания — Н=298 м, угол залегания — 290, средняя скорость подвигания лавы до остановки — 57,4 м/мес). В момент начала паузы величина ССКП составляла 7,3 мм/сут. Максимум ССКП достиг спустя двое суток после остановки лавы и составил 12,6 мм/сут. По истечении около трех суток приращения ССКП уменьшились до величины ССКП в момент остановки лавы. При возникновении максимума ССКП спустя двое суток при двухсменной работе добычного комплекса, шаге подвигания забоя Lш =1,6 м/цикл и при длительности паузы цикла (t пц), много превышающей длительность собственно движения забоя t лд, согласно (1) величина V лм составила: 30?2?1,6/2=48 м/мес. Реально средняя скорость периодического подвигания лавы равнялась V л=57,4 м/мес. То есть, перед остановкой лава двигалась в режиме Vл >Vлм.
Как видим, резкая остановка лавы вызвала значительное усиление релаксации напряжений в ЗПОД. Это выражено в увеличении крутизны спада нисходящей ветви кривой ССКП в переходном процессе, который практически стал равным крутизне восходящей ветви этой кривой, характеризующей влияние обычно более энергичного процесса ползучести пород.
Снижение напряжений в ЗПОД, как известно, ведет к росту коэффициента фильтрации газа [12], что чревато повышением пожарной опасности и ростом риска его взрыва.
Влияние резких изменений скорости подвигания лавы похоже на эффект влияния инерции в механике движения тела.
Роль массы здесь играют накопленные остатки потенциалов энергии. Эти эффекты известны по [13] и особенно заметны при остановках лавы по завершении ее отработки. В этих случаях полезно постепенное снижение скорости подвигания забоя.
Так, в Инте на шахте №2 при подвигания лавы в режиме Vл>Vлм в Западном конвейерном промежуточном штреке №1 пласта 4 (глубина залегания — 337 м, угол залегания — 290, Vл?54 м/ мес) перед длительной остановкой средней лавы предварительно было прекращено ее подвигание на двое суток. Затем забой подвинулся еще на 1 м, после чего лава была окончательно остановлена. Результат — изменения величин ССКП и релаксации напряжений после остановки забоя существенно уменьшились.
Таким образом, суммируя результаты исследований в данной статье и в [1], приходим к выводу, что скорость подвигания лавы в сочетании с реологическими свойствами пород в зоне ее влияния определяет характерные режимы и закономерности формирования опорного давления и пучения пород почвы в ЗПОД и позади лавы, а результаты анализа переходных процессов деформирования пород могут быть основой прогноза различных проявлений горного давления в ЗПОД. Для этого необходимо совершенствовать и освоить технологию определения и анализ переходных процессов.
Исследования показывают, что при больших скоростях под Рис. 2. Изменения скорости смещений контура выработки после остановки забоя: 1 – кровля-почва, 2 – бока, расстояние от лавы 1 м вигания лавы, определяемых условием Vл?Vлм, наряду с благоприятными изменениями проявлений горного давления в ЗПОД растет реальная опасность по газовому фактору и проявлению горных ударов.
В связи с изложенным предлагается этот режим подвигания лав относить к опасному по горным ударам и выбросам газа с введением всех известных норм предотвращения этих явлений.
Параметры начала действия этого режима подвигания лавы определяются формулами (1), (2).
Список литературы 1. Дудукалов В. П. Механизмы влияния скорости периодического подвигания лавы на проявления опорного давления и пучения почвы // Уголь. — 2008. — №10. — С. 3-5.
2. Бобылев А. П., Куликов В. А., Жуков В. В. Исследование режима нагружения вмещающих пласт пород при различных скоростях подвигания очистного забоя. — В сб. «Научные основы создания высокопроизводительных комплексно-механизированных и автоматизированных шахт с вычислительно-логическим управлением». — М.: «Недра», 1969.
3. Руппенейт К. В. Введение в механику горных пород. — Госгортехиздат, 1960.
4. Ильницкая Е. И., Тедер Р. И., Ватолин Е. С. и др. Свойства горных пород и методы их определения. — М.: «Недра», 1960.
5. Лабасс А. Влияние скорости подвигания забоя на управление кровлей и выемку угля. — В сб. «Скоростное подвигание очистного и подготовительных забоев». — М.: «Недра», 1966.
6. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. — Госгортехиздат, 1961.
7. Дудукалов В. П. Переходные процессы деформирования выработок в опорной зоне впереди лавы. // Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2004. — №6.
8. Семенов Ю. А., Бекбулатов А. К. Исследование характера проявления горного давления в зависимости от скорости подвигания очистного забоя // «Вопросы технологии и экономики угледобычи». — 1966. — №9.
9. Бобылев А. П., Науменко В. И., Куликов В. И. Исследования динамики кровли очистного забоя на моделях из эквивалентных материалов. — В сб. «Процессы и управление при подземной разработке полезных ископаемых». — М.: «Недра», 1968.
10. Дудукалов В. П. О формировании опорного давления при подвигании лавы в массиве пород с реологическими свойствами.
// Изв. ВУЗов, Г. Ж. — 2006. — №6. — с. 16-22.
11. Дудукалов В. П. Релаксация напряжений в зоне влияния лав шахт Челябинского бассейна // Известия ВУЗов, Г. Ж. — 2007. —
№1. — с. 67-71.
12. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. М.: ГНТИ, 1961. — с 362.
13. Петухов И. М. Горные удары на шахтах Кизеловского бассейна. – Пермь: 1957, 141 с.