Лабораторные исследования работы невзрывчатых разрушающих веществ при упрочнении массивов разрушенных горных пород

УДК 622.016.3.112.3
студ. Овчинников С.Ф., к.т.н., доц. Сахно И. Г.
Донецкий национальный технический университет


В последние годы в мировой и отечественной практике начинают применяться невзрывчатые разрушающие средства, способные резко увеличиваться в объеме и создавать высокие давления в результате протекания реакций гидратации. Материалы на основе невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ) в настоящее время применяются в основном для разрушения прочных пород и дробления негабаритных блоков при добыче скальных пород открытым способом. Существуют предпосылки применения НРВ в угольных шахтах взамен традиционных взрывчатых веществ, в этом направлении ведутся значительные научные исследования.

Авторами статьи поставлена задача определения возможности применения НРВ с противоположной целью - для упрочнения вмещающего горную выработку массива в пределах зоны разрушенных пород. Технологически это осуществляется за счет создания распора в разрушенных породах за пределами проектного контура выработки, что приводит к увеличению сил трения между породными фрагментами и способствует их самоподдержанию (рис. 1). Указанная технология упрочнения может быть реализована при перекреплении горных выработок (1).

На рис. 2 показана расчетная схема к определению параметров технологии ре-монта выработки на основе искусственного создания распора в зоне возможного обрушения пород.

Рис. 1. Схема реализации предлагаемого способа упрочнения при перекреплении выработки: 1 – фактический контур выработки; 2 – проектный контур выработки; 3 – шпуры с распорными элементами; 4 – возможная область обрушения пород

Решение поставленной задачи осу-ществляется при следующих допущениях: граница зоны возможного обрушения пород кровли выработки Н распространяется до границы зоны разрушенных пород вокруг выработки; породные фрагменты по форме представляет собой параллелепипеды с высотой, равной мощности породных слоев; породный массив представляется безраспорной сыпучей средой.

Рис. 2. Расчетная схема к определению параметров способа перекрепления выработки

Равновесное состояние области по-родного массива по ширине В обеспечивается за счет приложения распределенной нагрузки q по его краям на участке у. При этом суммарные силы трения по вертикальным границам породных блоков F уравновешиваются их весом с учетом дополнительной нагрузки, создаваемой весом пород на участке (Н-у).

Решение уравнения предельного рав-новесия по приведенной расчетной схеме позволяет получить следующую зависи-мость: (1) Результаты расчетов по формуле (1) для условий Н=3м, В=2м, ?=0,025МН/м3 показаны на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости необходимой величины распора (q) от протяженности сжимаемого участка пород (у)

Анализ зависимости величин распора (q) от протяженности сжимаемого участка пород (у) (рис. 3) показывает, что с увеличением последнего с 0,6 до 3 м необходимая величина распора уменьшается с 0,27 до 0,05 МПа.

Для определения предельных давле-ний, развиваемых невзрывчатыми разрушающими средствами, были проведены лабораторные исследования их работы в условиях сходных с природными. Для испытаний был взят материал НРВ-80, выпускаемый в настоящее время промышленностью Украины.

Указанный материал представляет собой порошкообразное вещество на основе оксида кальция, является пылящим, негорючим, невзрывоопасным, что позволяет применять его в шахтных условиях.

Для проведения лабораторных испы-таний был изготовлен специальный прибор (рис. 4), состоящий из следующих элементов: 1 – цилиндр; 2 – шток; 3 – винт; 4 - проставка.

Рис. 4. Конструкция прибора для проведения испытаний

Схема испытаний состояла в следующем. Приготовленный заданный объем пластифицированного НРВ-80 (5) помещался в цилиндр (1), после этого прибор устанавливался между плитами пресса и при помощи штока (2) создавался начальный распор. При кристаллизации вещества происходило его саморасширение, в результате чего оказывалось давление на шток. Измерение давления производилось при помощи динамометра ДОСМ-3-5, установленного между штоком и верхней плитой пресса. Контроль смещений штока проводили при помощи индикатора часового типа с точностью до 0,01мм.

Была проведена серия испытаний, целью которых было установление режима работы НРВ-80 при разных величинах допустимой объемной деформации. В лабораторных условиях различные объемные перемещения задавались изменением величины зазора между веществом и штоком. Регулирование зазора производилось путем установки между цилиндром и штоком набора контрольных шайб. Результаты иссле-дований приведены в виде графиков на рис. 6, 7.

Рис. 5. График зависимости давления (q) развиваемого НРВ от коэффициента расширения
Рис. 6. График зависимости развиваемого давления (q) от величины допустимой начальной объемной деформации (v0)

Также было проведено испытание вещества в свободном состоянии. Анализ результатов проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. При работе в условиях одноосного сжатия за счет своего саморасширения; (без начальной нагрузки) материал развивает давление до 6 МПа.

2. При возможности свободного де-формирования происходит снижение эффективности работы НРВ. Так при допустимом начальном объемном деформировании 42,5% материал не раз-вивает давления больше 0,5МПа.

3. В условиях свободного объемного расширения материал способен увеличиваться в объеме до 300%, однако кристаллизация его в этом случае не происходит, после отвердевания материал представляет собой порошок.

На основании сравнения получен-ных результатов лабораторных исследований с результатами аналитического решения (1) можно сделать вывод, что создаваемое при саморасширении исследуемого материала давление (до 6 МПа) более чем в 20 раз превосхолит минимально необходимое (рис. 3) и яв-ляется достаточным для создания рас-пора в разрушенных породах. Вышеска-занное позволяет сделать вывод о воз-можности применения НРВ-80 для упрочнения массивов разрушенных гор-ных пород.

Литература

1. Л.В. Ершов, Л.К. Либерман, И.Б. Нейман "Механика горных пород" – М.: Недра, 1987. – 192с.

2.Касьян Н.Н., Негрей С.Г., Сахно И.Г. О влиянии механического отпора выдавливанию пород почвы горных выработок на их смещения // Разработка рудных месторождений. – 2004.– Вып. 87. – С. 28-29.

На начало страницы