Кафедра РПМ  Горный факультет  ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Обоснование и актуальность темы

Современные условия добычи угля сопровождаются рядом негативных проявлений горного давления. Особенно при отработке угля на глубинах более 800м. Работы ведутся в условиях выбросоопасных пластов, при высокой природной метаноносности, высоких температурах и т.п. В этих условиях при использовании современных механизированный комплексов вопрос обеспечения безопасности работ при первичной посадке кровли в очистном забое является достаточно актуальным, особенно в условия труднообрушаемых кровель.

При первичной посадке кровли в нормальном режиме наблюдается потрескивание и отжим угля в нижней части лавы, вывалы в призабойной части, поломы деревянных стоек крепления в результате усиления горного давления поломы стоек усиливающей крепи на штреке на протяжении 12 -45 м от лавы. При посадке в аварийном режиме (при больших зависаниях) наблюдается посадка секций крепи на жесткую базу, сильное деформирование штреков, значительные вывалы по лаве.

Существующие способы разупрочнения труднообрушаемых пород связаны в основном с применением взрывных работ. Ведение взрывных работ при предварительном разупрочнении труднообрушаемых кровель ограничивается невыбросоопасными пластами, а при принудительном обрушении пород за лавой негазовыми шахтами.

Поэтому вопрос разработки способа первичной посадки кровли в очистном забое за счет невзрывного разрушения пород и обоснование его параметров является актульной научно-практической задачей.

2. Цели и задачи исследования

Цель работы: обоснование параметров принудительного обрушения пород кровли с помощью невзрывчатых разрушающих смесей (НРС).

Идея работы: заключается в предотвращении зависаний пород кровли в выработанном пространстве лав, которые могут привести к негативным последствиям, путем принудительного обрушения пород со стороны выработанного пространства с помощью НРС.

Задачи решаемые в магистерской работе:

  1. Разработка способа принудительного обрушения труднообрушаемых пород при первичной посадке
  2. Лабораторные исследования способа инициирования заряда НРС в скважине при принудительной посадке кровли.
  3. Лабораторные исследования предложенного сопособа принудителной посадки на моделях.

Объект исследования: углепородный массив вмещающий горную выработку.

Предмет исследования: процессы разрушения труднообрушаемых пород кровли с помощью НРС при инициировании скважинных зарядов.

Методы исследования: систематизация и анализ, моделирование на эквивалентных материалах, стендовые испытания, метод статистической обработки данных.

3.Научная новизна и практическая ценность работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. впервые получена аналитическая зависимость давления саморасширения и фазового состояния продуктов гидратации НРС при инициировании их работы с помощью электрического поля.
  2. установлены закономерности изменения смещений в выработках при различном шаге первичной посадки.

Практическая ценность работы: заключается в разработке способа невзрывного принудительного обрушения пород при первичной посадке.

4. Обзор существующих исследований и разработок по теме.

В практике горного дела разработано несколько гипотез горного давления, сдвижения породного массива, которые основаны в основном на феноменологических заключениях [1-9].. Однако разнообразие горно-геологических условий разработки угольных пластов и физико-механических характеристик породного массива уменьшает возможность применения гипотез в других участках месторождения и даже шахтного поля. При увеличение глубины разработки погрешность прогноза при расчетах по этим гипотезам росла.

Бурное развитие во второй половине ХХ века новых методов, способов исследований поведения вмещающего массива [10]. в естественных условиях, физического моделирования поведения пород на моделях из эквивалентных материалов [11]., оптического моделирования горного давления в очистных забоях [12]. и других методов лабораторных исследований дало возможность установить характер сдвижения пород над выработанным пространством.

Шахтными исследованиями и лабораторными на физических моделях установлено, что работа непосредственной и основной кровли аналогична работе тонких и толстых плит, защемленных по контуру, с трех и с двух сторон [13].. В работе основной кровли выделяется два режима. Первый режим начального движения охватывает период времени от проведения разрезной печи до первого обрушения основной кровли.

В первом режиме (начального движения) наблюдается некоторая ассиметрия изгиба основной кровли по простиранию пласта. Изолинии изгибов приведены на рис. 1. В левой стороне от разрезной печи концентрация изолиний больше на один метр, чем впереди движущегося очистного забоя. Характер первого обрушения основной кровли и динамика последующих опусканий приведены на рис. 2.

В настоящее время в результате исследований сдвижения вмещающего угольные пласты массива над выработанным пространством в натурных (шахтных) условиях, установлен характер послойного деформирования пород. По скорости деформирования в пределах выемочного поля лавы выделяют зону влияния очистных работ и зону влияния выработанного пространства на характер сдвижения пород. Проблемой прогноза проявлений горного давления вокруг очистных забоев занимаются ученые ИФГП НАНУ (14,15).

Характер деформаций основной кровли перед первым ее обрушением

Рисунок 1 –Характер деформаций основной кровли перед первым ее обрушением [13].

Характер и форма первых обрушений основной кровли

Рисунок 2 –Характер и форма первых обрушений основной кровли

Исследованиями установлено, что при труднообрушающихся кровлях сопротивление крепи влияет на напряженное состояние и расслоение только нижних слоев мощностью до 2 м. Увеличения сопротивления крепи практически не оказывает влияния на напряженное состояние более удаленных слоев и зависания труднообрушающихся пород. Следовательно, можно сделать вывод, что управление труднообрушающимися кровлями путем повышения сопротивления крепи будет неэффективным.

В угольной отрасли для повышения эффективности управления тяжелыми породами кровли применяют несколько способов ее разупрочнения.

Известны и применяются следующие основные способы разупрочнения кровли для снижения горного давления на предохранительные целики:

-способ подработки;

-разгрузка скважинами большого диаметра;

-передовое торпедирование;

-гидрообработка;

-гидромикроторпедирование;

-взрывогидрообработка;

-принудительное обрушение кровли взрыванием скважинных зарядов;

-принудительное обрушение кровли взрыванием шпуровых зарядов;

-скважинная взрывоподбутовка;

-клиновое разрушение;

-направленный гидроразрыв.

Целью применения этих способов является снижение или полная ликвидация тяжести проявления горного давления на предохранительные целики и проявлений осадок кровель в динамической форме.

Наибольшее применение имели способы:

Передовое торпедирование.

Сущность способа – локальное (местное) ослабление прочных горных пород основной кровли впереди очистного забоя по длине или участку выемочного поля путем взрывания зарядов ВВ в длинных скважинах. Образующиеся в результате взрыва искусственные концентраторы напряжений в виде зон радиальных трещин и разрушенных контактов в плоскостях напластования по мере приближения очистного забоя к плоскости торпедирования и последующего ее перехода в изменяющемся силовом поле напряжений массива пород прорастают в магистральные трещины. Последние расчленяют массив пород основной кровли на блоки по высоте и напластованию, обеспечивая плавное ее опускание по мере отработки.

Размеры зон трещинообразования и разрушения контактов между прочными слоями зависят от типа ВВ, коэффициента заряжания, массы и конструкции скважинного заряда, физико-механических свойств и параметров волн напряжений.

В результате разупрочнения труднообрушающиеся породы расчленяются на блоки меньших размеров. Это приводит к резкому снижению интенсивности и тяжести проявления первичных и вторичных осадок основной кровли, к уменьшению величины активных внешних нагрузок на крепь очистных забоев и разгрузке их краевых частей.

Принудительное обрушение кровли скважинными зарядами

Сущность способа заключается в посадке труднообрушающихся пород над выработанным пространством на высоту до 10 м путем взрывания зарядов ВВ в скважинах, пробуренных параллельно линии очистного забоя. Кровля под действием взрыва разделяется на слои с последующим ее обрушением. Это исключает воздушные удары и формирование больших активных нагрузок на крепи.

Принудительная первичная посадка взрыванием скважинных зарядов ВВ в выработанном пространстве применяется только на шахтах, не опасных по газу и взрыву пыли.

Таким образом, эти способы имеют весьма ограниченную область применения в условиях Донбасса.

В магистерской работе предлагается в качестве средства разрушения пород использовать НРС.

В современной отечественной и зарубежной практике накоплен большой опыт использования невзрывчатых разрушающих смесей (НРС). Применение НРС в промышленном строительстве связывают с ликвидацией бетонных несущих конструкций и фундаментов в работающих цехах и других объектах при их реконструкции [16]., в дорожном строительстве – с разрушением асфальтобетонного покрытия [17]. и др. Основными преимуществами невзрывного разрушения является отсутствие звукового эффекта, разлета частей разрушенного объекта, возможность разрушения вблизи работающего оборудования и людей без изменения технологического процесса. Важнейшей практической задачей применения НРС в условиях подземных горных выработок является управление временем разрушения пород. Управление скоростью гидратации в настоящее время осуществляют в основном за счет использовании химических добавок, имеющих экзотермическую реакцию с оксидом кальция, однако в этом случае ускорение реакции наблюдается сразу после приготовления смеси. Таким образом, приготовление одной порции смеси для заряжания большого количества шпуров является затруднительным. Так как во время заряжания НРС в шпуры, в емкости с приготовленной смесью, реакция гидратации также протекает, причем с большей, чем в шпурах скоростью, что объясняется большим количеством вещества и различными граничными условиями (теплопоглощение, теплопроводность). Это может привести к неуправляемому повышению скорости реакции и фазовому переходу НРС непосредственно в смесительной емкости, или в негерметизированных шпурах в процессе заряжания. Что снижает производительность и безопасность работ, и может способствовать возникновению аварийных ситуаций. Таким образом, возникает необходимость приготовления смеси малыми порциями, что повышает трудоемкость работ и время на заряжание шпуров. При этом обеспечение точности поочередного разрушения остается практически нерешенной задачей.

Поиск способа управления процессом гидратации НРС, для обеспечения необходимой очередности разрушения пород по линиям шпуров, который позволил бы сократить время разрушения пород в условиях подземных горных выработок является важной научной задачей. При этом важным моментом при практической реализации является приготовление НРС для всего необходимого количества шпуров, их заряжание, и только после этого инициирование процесса разрушения в требуемом порядке.

5.Текущие и планируемые результаты по теме исследований

Для изучения особенностей работы НРС под влиянием электрического тока были проведены лабораторные исследования в которых через образец НРС цилиндрической формы с диаметром основания цилиндра 40мм и длиной 60мм, имитировавший фрагмент заряда в шпуре, пропускали ток различного напряжения. При этом фиксировали изменение температуры НРС с помощью электронных лабораторных термометров DM-9231A.

Регулирование напряжения осуществляли в диапазоне 5-70В с помощью лабораторного автотрансформатора ЛАТР 2,5, который предназначен для плавного регулирования напряжения переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Для защиты от короткого замыкания ЛАТР включали в сеть, которая защищена плавкими предохранителями с током плавкой вставки 10А. При повышении напряжения выше 70В в проводимых экспериментах, при расстоянии между электродами l=6см, перегорала плавкая вставка предохранителя. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.

Схема установки для исследования влияния электрического тока на скорость гидратации НРС

Рисунок 3 –Схема установки для исследования влияния электрического тока на скорость гидратации НРС

1–образец НРС

В результате проведения первого этапа эксперимента с образцами НРС в воздушной среде с температурой 25 0С были получены графики изменения температуры смеси во времени при воздействии на образец электричества с различным напряжением (рис. 4). Базовым образцом для проведения сравнения был выбран образец НРС, через который ток не пропускали. Из графиков, видно, что для всех образцов наблюдается рост скорости гидратации при воздействии на них электричества, по сравнению с базовым образцом. Повышение напряжения более 20В при расстоянии между электродами 6см, приводит к ускорению реакции более чем в 10 раз. Напряжение 20 и более В приводит к срабатыванию смеси в течение 10 и менее минут.

Графики изменения температуры смеси во времени при воздействии на образец электричества с напряжением 1 – 0В, 2 – 5В, 3 – 10В, 4 – 20В, 5 – 30В, 6 – 40В

Рисунок 4 –Графики изменения температуры смеси во времени при воздействии на образец электричества с напряжением 1 – 0В, 2 – 5В, 3 – 10В, 4 – 20В, 5 – 30В, 6 – 40В

Количественную оценку полученного эффекта ускорения реакции гидратации смеси предлагается проводить с помощью коэффициента ускорения, равного отношению времени протекания 1 и 2 стадий гидратации [18]. для базового образца к аналогичному времени для образца, на который воздействует электрический ток (рис. 3). Полученные данные хорошо аппроксимируются экспоненциальной зависимостью , с коэффициентом корреляции 0,987. Из полученных результатов видно, что при воздействии напряжения в диапазоне 5-60В скорость реакции повышается до 300 раз. Полученные результаты показали принципиальную возможность управления скорость гидратации НРС воздействием электрического тока. Таким образом, было установлено, что с помощью электричества можно инициировать интенсификацию работу НРС.

Основной перспективой исследований является возможность использования результатов работы на предприятиях угольной промышленности Украины.

Литература

  1. Борисов А.А. Расчеты горного давления в лавах пологих пластов. – М.: Недра, 1964. – 278 с.
  2. Слесарев В.Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. – М.: Углетехиздат, 1952. – 350 с.
  3. Кузнецов Г.Н. Взаимодействие боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих пластов каменного угля. – В сб. «Исследования по вопросам маркшейдерского дела», № ХХVII, Углетехиздат, 1953. – с.31-42
  4. Руппенейт К.В. Давление и смещение горных пород в лавах пологопадающих пластов. Углетехиздат, 1957. – 233с.
  5. Панов А.Д., Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Гор¬ное давление в очистных и подготовительных выработках. Госгортехиздат, 1959. – 247с.
  6. Орлов А.А., Сетков З.Ю. и др. Взаимодействие механизированных крепей с кровлей. М., «Недра», 1976, 336 с.
  7. Давидянц В.Т., Измерения проявлений горного давления на шахтах Донецкого бассейна/ В.Т. Давидянц., Г.Л. Козелев.-Углетехиздат,1952,– 116с.
  8. Лабасс А. Управление кровлей посредством обрушения. Междуна¬родная конференция по горному давлению. Углетехиздат, 1957.
  9. Феннер Р. Исследование горного давления. «Глюкауф», 1938, № 32 и 33
  10. Петухов И.М. Методы изучения сдвижения горных пород и угля в массиве. М., Углетехиздат, 1954. – 35 с..
  11. Кузнецов Г.Н. Моделирование проявлений горного давления. – М.: Недра, 1964. – 420 с.
  12. Трумбачев В.Ф. Исследование горного давления в очистных выработках оптическим методом. М., Углетехиздат, 1955. – 99 с.
  13. . Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М., Недра, 1980.–360с.
  14. Лобков Н.И. Определение параметров обрушения трудноуправляемой кровли влавах пологих пластов Донбасса/Н.И. Лобков, А.И. Сергиенко,Е.Н. Халимендиков. В сб. Физико-технические проблемы горного производства/Вып.№12.Под общей редакцией А.Д. Алексеева.Донецк: ИФГП НАНУ, 2009. –с. 113-123.
  15. Лобков Н.И. К вопросу о механизме формирования горного давления в лавах пологих пластов. В сб. Физико-технические проблемы горного производства/Вып.№6.Под общей редакцией А.Д.Алексеева.-Донецк: ООО“Апекс”,2003.-с.81-87.
  16. Галкин, В.В. Невзрывной способ разрушения строительных конструкций при реконструкции зданий / В.В.Галкин, А. Г. Потапов // Монтажные и специальные работы в строительстве. 1983.- № 6.- С. 21-22.
  17. Заявка 57-119850, Япония, МКИ В 02 С 19/18, Е 04 С 23/08. Композиция для разрушения бетона, дорожного покрытия и т.п. / Нисихара Акио, Мива Мотому, Тада Сюити; Асахи дэнка коге к.к. № 56-5779 заявл. 16.01.81,. опубл. 26.07.82.
  18. Касьян Н.Н. Обоснование методов управления скоростью роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих веществ / Н.Н. Касьян, И.Г. Сахно, Я.О. Шуляк / Вісті Донецького гірничого інституту. – 2010. - №2. – С. 209-219.