УДК 622.831

И. Г. Сахно (канд.техн.наук)

Донецкий национальный технический университет, Донецк

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ДАВЛЕНИЯ ОТ ЗАРЯДА НЕВЗРЫВЧАТОГО РАЗРУШАЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА В ДИСКРЕТНОЙ СРЕДЕ

В статье приведены результаты лабораторных исследований явления передачи давления от са- морасширения невзрывчатого разрушающего вещества, помещенного в шпур, вглубь массива представ­ленного дискретной средой.

Ключевые слова: укрепление пород, невзрывчатые разрушающие вещества, саморасшире- ние, дискретная среда

Изменение характера и интенсивности деформационных процессов в окру­жающих выработку породах, на больших глубинах стало причиной того, что мно­гие известные способы поддержания, технологические и технические решения ис­черпали свои возможности в части обеспечения устойчивости выработок.

С современных позиций смещения в горной выработке связывают с развитием вокруг нее зон упругих, неупругих деформаций (ЗНД) и зоны разрушенных пород (ЗРП). Размер ЗРП на современных глубинах, при смещениях контура выработки - 500 мм и более, достигает 7-8 м и более [1]. При этом в зависимости от степени на­рушенное™ пород в пределах ЗРП, они с определенной степенью точности могут быть представлены блочно-структурированной или дискретной средой. Нагружение крепи выработки, в такой ситуации, происходит за счет увеличения пород в объеме при их разрушении на границе ЗРП и в ее пределах при нарушении сложившегося равновесного состояния, например, при попадании выработки в зону опорного дав­ления, ее подработке надработке и др.

Обеспечение устойчивости выработки в таких условиях за счет повышения несущей способности крепи и увеличения ее плотности в современных условиях практически не имеет перспективы. Более перспективным представляется направ­ленное изменение режима работы горных пород вокруг выработок.

Для сохранения устойчивости выработок в условиях ЗРП был предложен способ укрепления пород, основанный на распоре разрушенных пород при помощи невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ) [2, 3]. Основная идея способа заклю­чается в создании в пределах ЗРП, вокруг горной выработки, сжатой области вы­полняющей роль дополнительной крепи, сдерживающей передачу давления от фронта ЗРП к контуру выработки. Основным параметром предлагаемого способа обеспечения устойчивости выработок является расстояние между шпурами с НРВ. Для определения этого параметра необходимо знать закономерности передачи на­грузки от фронта области расширения вглубь массива, что позволит определить зону влияния одного шпура.

Поэтому в данной статье ставилась задача изучения механизма передачи да­вления от заряда НРВ через дискретный материал.

Решение поставленной задачи в лабораторных условиях проводилось мето­дом физического моделирования на структурных моделях. Моделировался участок массива пород, вмещающий заряд НРВ. Задача решалась в плоской постановке, в силу ее осесимметричности моделировалась только половина сечения нормально продольной оси шпура.

Для моделирования был изготовлен специальный стенд, представляющий собой деревянное основание (1) на которое жестко крепились боковая стенка в ви­де полукруга (2), выполненная из металлической полосы, и прямолинейная боко­вая стенка (3) из деревянного бруса. В центре условной окружности располагалась рабочая камера №1 (4), которая имитировала шпур с НРВ. По контуру полукруг­лой боковой стенки располагалась рабочая камера №2 (5) - предназначенная для определения давлений на расстоянии равном радиусу полукруга боковой стенки. Область внутри модели между рабочими камерами заполняли дискретными элеме­нтами (6) в качестве которых применяли пластиковые пустотелые шарики диамет­ром 5см, стеклянные шарики диаметром 2см, горох со средним диаметром 0,6см и керамзит со средним размером 1,6см. Для удобства контроля смещений дискрет­ных элементов некоторые из них, согласно плану эксперимента, были маркирова­ны с помощью окрашивания. Сверху модель закрывалась пластиной из оргстекла. Принципиальная схема модели представлена на рисунке 1.

 

Перед экспериментом дискретные элементы укладывали в модель и накры­вали ее оргстеклом. После этого давление в рабочей камере №1 пошагово повыша­ли, что приводило к сжатию дискретных элементов и передаче давления, которое фиксировалось рабочей камерой №2, на контур боковой стенки.

В качестве рабочего агента использовали воду. Давление в камере №1 по­вышали путем увеличения высоты водяного столба в системе соединенной с каме­рой №1, а фиксацию давления в рабочей камере №2 производили по высоте водя­ного столба в системе соединенной с этой камерой. После достижения предельного давления в камере №1, производилась пошаговая разгрузка модели, с контролем показаний давлений в обеих камерах. Фиксация производилась с помощью цифро­вой видеосъемки модели в плане и данных обеих шкал.

Было проведено несколько серий опытов, которые отличались между собой диаметром боковой полукруглой стенки и видом дискретного материала. Диаметр наружной полуокружности, по контуру которой располагалась рабочая камера №2, в разных экспериментах изменялся от 0,25 до 0,5 м. Диаметр внутренней полуок­ружности (камеры №1) на начало эксперимента составлял 0,055-0,070 м. Таким образом, была получена картина передачи давления через дискретную среду в обо­их направлениях.

Общий вид моделей, при радиусе полукруга боковой стенки 37,5см и запол­нении модели керамзитом на моменты начала, и конца эксперимента приведен на рис. 2-3.

 

 

Рис. 3. Общий вид модели после приложения нагрузки

На основании полученных результатов исследований были построены гра­фики зависимости давления, возникающего на наружном контуре разрушенных пород, от давления саморасширения во внутреннем контуре. Для примера приве­дем графики передачи давления от рабочей камеры №1 к камере №2, расположен­ной у боковой полукруглой стенки диаметром 50см через стеклянные шарики (рис. 4).

Нижняя ветвь графиков описывает поведение материала в модели при ее на­гружении, верхняя - при разгрузке. Следует отметить, что передача давления на внешний контур зоны влияния заряда при нагрузке происходит не линейно, а по зависимости близкой к квадратичной, это можно объяснить последовательным уплотнением и переупаковкой дискретного материала в направлении от зоны бли­жней к заряду НРВ вглубь массива. При этом коэффициент передачи давления по­вышается при увеличении абсолютного значения нагрузки на внутреннем контуре. Также обращает на себя внимание тот факт, что ветвь нагружения не однородно линейная, а представляет собой ломаную с участками как резкого повышения так и спада коэффициента передачи давления, что объясняется заклиниванием и лока­льной консолидацией дискретных элементов при приложении и снятии нагрузки, образованием и разрушением макро- и микросводов.

Характерно, что при разгрузке передача давления от контура зоны влияния к заряду НРВ происходит не по пути нагружения, а более полого. Кроме того, после полного снятия давления на внутреннем контуре, давление на внешнем контуре может оставаться, а величина остаточного давления зависит от вида дискретного материала. Так для пластиковых шаров давление на внешней стороне практически равно нулю, а, например, для керамзита, менее идеальной среды, вообще практи­чески не снижается.

 

Объяснить это можно тем, что при нагружении происходит переупаковка дискретных элементов и система переходит из безраспорной сыпучей среды в сос­тояние распорной среды. Изменяется пространственная ориентация дискретных элементов и количество контактов между ними. При этом система аккумулирует кинетическую энергию дезинтегрированного массива, и обеспечивает самоподде- ржание элементов. Эта особенность может быть использована при обосновании параметров и методики расчета способа упрочнения породного массива при высо­кой степени дробления пород в пределах ЗРП, основанного на создании их актив­ного распора. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с прове­денными ранее исследованиями [4].

Обработка цифрового видеоматериала позволила получить координаты мар­кированных дискретных элементов на всех этапах нагружения и разгрузки модели, а также абсолютное время для каждого этапа. Их анализ позволил получить пути перемещения дискретных элементов. Общий график смещений маркированных элементов и детальная картина поэтапного смещения каждого из них для случая нагружения и разгрузки модели со стеклянными шарами при радиусе внешнего контура 50см приведены на рис. 5, 6.

Анализ графиков позволил сделать вывод, что вектора абсолютных смеще­ний дискретных элементов достаточно близко совпадают с лучами проведенными из центра модели. Однако при этом поэтапное перемещение дискретных элемен­тов, особенно на первом этапе, когда происходит переупаковка и сжатие элемен­тов, носит случайный, иногда возвратно-поступательный, характер. Пути переме­щения элементов при нагружении и разгрузке модели разные, кроме того пути пе-

ремещения маркированных дискретных элементов для разных серий моделей не совпадают. Полученный результат также можно объяснить случайным характером взаимоперемещений, взаимным заклиниванием и локальной консолидацией дис­кретных элементов при приложении и снятии нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимо понимать, что передача давления через дискретный массив происходит не мгновенно, и зависит от скорости нагружения. Чем быстрее при­кладывается давление на внутреннем контуре, тем больше происходит переупако­вка и сжатие материала в ближней к заряду НРВ области, так как дискретные эле­менты не успевают последовательно переместиться в новое положение. Поскольку

при распоре пород с помощью НРВ рост давления происходит достаточно медлен­но, режим нагружения моделей был выбран соответственным. Каждый последую­щий этап наружения начинали после прекращения сдвижений дискретных элемен­тов на предыдущем этапе. Графики характеризующие передачу давления через дискретный материал в реальном времени для случая нагружения и разгрузки мо­дели со стеклянными шарами при радиусе внешнего контура 50см представлены на рис. 7.

 

Анализ графиков показывает, что несмотря на небольшую скорость измене­ния давления и перерыв между этапами нагружения и разгрузки до полного пре­кращения смещений дискретных элементов, наблюдается запаздывание передачи давления на внешний контур модели. Так рост давления на внешнем контуре начинается после достижения давлением на внутреннем контуре величины 70-100 х10 Па, а при уменьшении давления на внутреннем контуре, в начале раз­грузки модели, на внешнем контуре давление еще продолжает расти. Это также подтверждает, что при нагружении происходит переупаковка элементов и после­довательное уплотнение дискретного материала в направлении от зоны ближней к заряду НРВ вглубь массива, и система переходит из безраспорной сыпучей среды в состояние распорной среды, что изменяет режим работы материала модели.

Обработка результатов моделирования позволила получить графики (рис. 8) изменения коэффициента передачи давления через дискретный материал при уве-

 

В общем случае можно сказать, что давление на внешнем контуре снижается по зависимости близкой к экспоненциальной при увеличении радиуса дискретной области.

С уменьшение размера дискретных элементов снижается размер зоны влия­ния распорного элемента, поскольку увеличивается количество элементов а, сле­довательно, и контактных пар трения, что вызывает образование сводов, заклини­вание элементов, и соответственно рассеяние энергии. Отклонение формы дискре­тного элемента от идеальной (шара) также приводит к уменьшению размеров зоны влияния, поскольку при переупаковке элеметов образуются не только точечные контакты, но и плоскости трения, иногда сцепления, что повышает эффект закли­нивания дискретных элементов. Это явление является отрицательным на этапе на­гружения, зато играет положительную роль при разгрузке модели.

Таким образом, можно сделать вывод, что передача давления от заряда НРВ вглубь массива, представленного дискретной средой, является сложным процес­сом. Коэффициент передачи давления и интенсивность его изменения зависят от вида дискретных элементов, их размера, величины абсолютного давления. При этом поэтапные перемещения дискретных элементов, особенно на начальном этапе нагружения, имееют случайный характер и зависят от взаимного положения сосе­дних элементов, хотя результирующий вектор смещений направлен вглубь массива радиально оси шпура.

Очевидно, что полученные результаты позволяют получить сугубо качест­венную характеристику передачи давления через дискретную среду. В моделях не учитывается реальный вес пород и форма породных фрагментов, коэффициент трения пород, количество и ориентировка плоскостей контактов в каждом конкре­тном случае будет отличаться и зависеть от литотипа пород и степени их дробле­ния, что снижает абсолютную величину сил трения между породными фрагмента­ми, однако можно с уверенностью сказать, что механизм работы материала и хара­ктер кривой, описывающей снижение коэффициента передачи нагрузки через дис­кретный материал, не изменится.

Дальнейшие исследования будут связаны с численным моделированием процесса передачи давления от заряда НРВ вглубь массива, что позволит получить количественные зависимости.

Перечень использованной литературы

1.                     Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок / Черняк И.Л. // - М.: Недра, 1993. - 256 с.

2.                     Пат. № 51574, МПК(2009) Е21Б 11/00 Спос1б змщнення прських порщ / М.М. Касьян, 1.Г. Сахно, М.А. Овчаренко, О.А. Нов1ков, Ю.А. Петренко (Украша). - и 2010 00011; заявл.11.01.2010, опубл. 26.07.2010; Бюл. №14. - 5с.:ил.

3.                     Заявка на патент на винахщ а 2011 12645, МПК(2009) Е21Б 11/00 Спос1б змщнення прських порщ в процес1 тдтримання виробки / М.М. Касьян, 1.Г. Сахно, В.М. Мокр1енко прюргтет В1Д

28.10.2011р.

4.                     Сахно И.Г. Лабораторные исследования явления передачи давления от саморасширяющегося состава мелкофракционным дискретным материалом / Сахно И.Г. // Проблеми прського тиску. Донецьк 2009. - №17. С. 180-191.