книги / Механика горных ударов и выбросов
..pdfприменением предварительной искусственной дегазации, особенно действенной в областях интенсивной разгрузки от горного дав ления.
Другим примером является приложение (7.29) к выбросоопас ным песчаникам. Подстановка в (7.29) величины тг, определен ной зависимостью (7.2) при *фс=1 и применение (7.29) дает уро вень сжатия |oyi|, при котором проведение выработки осуществля ется без выбросов:
l ° f l < ( 1 - - c ^ |
ù |
- ) v |
(7-32> |
Формула (7.32) свидетельствует |
об |
эффективности |
разгрузки |
выбросоопасных песчаников от горного давления — снижением ис ходных нормальных к напластованию напряжений апо можно уменьшить |<yvi |и добиться безопасности в области проведения вы работки по песчанику. С другой стороны, при |icr^i|> ао удовлетво рить неравенству (7.32), вытекающему из силовых условий, невоз
можно. В этом случае критическое давление рн определяется |
не |
. силовыми, а энергетическими соотношениями рЛ= р ЛЬ так |
как |
в |
правой части (7.27) p/i2=0 и ри\>Рк2- Поскольку энергия газа |
в |
единице объема должна превышать затраты на дробление и |
придание частицам минимальной скорости Отт, из (5.47) имеем, полагая Т = Т а, а$=О
Pki |
f Pki V /Xg ._ *g—1 i |
Paulin |
(7.33) |
||
"ÂT |
\ Ра J |
m I Ра |
2 |
||
)• |
|||||
Для песчаника с пористостью т=0,08, эффективной поверх ностной энергией g=10 Дж/м2 и S'psslO4 м2/м3 в случае адиаба
тического расширения метана (ие=1,31) |
даже при t>mJn= 0 име |
ем р м /Р а = 9 . Таким образом, даже если |
lierai|>сго, то выброс все |
же невозможен из-за недостатка энергии при давлении газа, мень шем 0,9 МПа. Скоростям г/шш, равным 5 и 10 м/с, при указанных значениях параметров отвечают давления рм, равные 1,2 МПа и 2,0 МПа.
Критерий безопасной глубины внедрения. Возможность удов летворить условиям (7.29), (7.30), (7.32) во всей области будущего ведения горных работ по выбросоопасным пластам ограничена. Поэтому следует принять во внимание, что всегда выдвигать по добное требование излишне. Действительно, опасность выброса реализуется только при резком обнажении поверхности. Такое обнажение возможно около забоя и не происходит в точках, уда ленных от него. Для исключения опасности достаточно, чтобы давление не превышало критического уровня лишь в той области, где возможно резкое обнажение поверхности. Размер lu этой об ласти зависит от технологии ведения горных работ и вида произ водимой операции. Так, при движении комбайна или струга опас
* Ввиду рассредоточенного разрушения при выбросах песчаников рост трещин начинается на расстояниях от фронта, заметно превышающих размеры трещин. Поэтому можно считать фс=1.
ное расстояние равно ширине вынимаемой полосы плюс размер части пласта, пропорциональный его мощности, который может отделиться самопроизвольно; при бурении скважин равно их глубине и так далее. Величину можно назвать эффективной глу
биной внедрения.
По мере приближения к забою давление газа падает. Поэтому в точках, отстоящихотзабоя на расстояние меньшее, чем оно не превышает давления p(lh) на границе зоны возможного резко го обнажения. Тогда, если на расстоянии £&давление ниже крити ческого уровня Pk> то оно меньше его и в более близких точках. Отсюда следует, что условие безопасности выражается неравенст
вом |
(7.34) |
р{Ь)<Рп. |
|
Как и выше,заменяя давление газосодержаиием,можно запи |
|
сать это условие в виде |
(7.35) |
Vg( h ) < V eh. |
|
Левые части (7.34) и (7.35) зависят от распределения давле ния и газосодержания в призабойной области. Эти распределения могут находиться экспериментально и непосредственно применять ся для текущего прогноза опасности выбросов и для оценки эффек тивности защитных мероприятий. Прямое использование замероп давления (газосодержания) обладает тем достоинством, что позво ляет интегрально учесть факторы, имеющие значительный разброс и плохо поддающиеся измерению с достаточной точностью, — коэффициенты газопроницаемости в различных точках впереди за боя. Однако для выяснения сравнительной роли различных обстоя тельств, влияющих на опасность выбросов, необходим и теорети ческий анализ левых частей неравенств (7.34), (7.35).
Это может быть сделано путем решения соответствующих за дач теории фильтрации. Можно, например, исходить из линейной аппроксимации (4.88). В ней в общем случае расстояние £0, на котором давление падает на 15% по отношению к исходному дав
лению ри, следует |
рассматривать как эмпирический |
параметр. |
||
В частных задачах теории фильтрации для |
получаются формулы |
|||
типа зависимости |
(4.87) для |
очистной |
выработки. |
Поскольку |
в большинстве случаев io>lhu |
при подстановке (4.87) в (4.88) |
|||
достаточно использовать лишь первую строку. В результате полу
чим условие безопасности |
|
0,85puUlh<Ph—Ра- |
(7.36) |
При заданных газодинамических параметрах ри, £о и критиче ском давлении ph из этого неравенства может быть определено безопасное исходное давление
|
Ри<0,19(рк—ра) |
|
При заданном |
ри нетрудно |
найти безопасную эффективную |
глубину внедрения |
и по ней — параметры технологического ре |
|
жима. Так, например, если |
где bh— ширина захвата или |
|
уходка за цикл, пн— неснижаемый запас, то из (7.36) следует
Ра) iPti |
Ц/t* |
Для угля при весьма неблагоприятных сочетаниях параметров: |
|
рк— 0,5 МПа, ри= 6 МПа, |о=15 м, |
м — безопасность отра |
ботки достигается при ширине захвата, меньшей 0,2 м. Практика струговой выемки подтверждает это заключение.
Формула (7.36) позволяет также рассмотреть влияние на без опасность скорости движения забоя ф и начального уровня нор мальных напряжений апо в месте проведения выработки. Для этого достаточно использовать аналитическую зависимость |о от упомя нутых факторов. В случае очистных выработок такая зависимость
дается формулой (4.87), которая, как |
правило, может быть све |
|||||
дена к виду (4.89). Использование (4.89) и (4.72) дает |
|
|||||
5 . = U ( C * - l ) e |
|
|
|
(7.37) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
t |
Ри^Фт |
t |
(l |
/о |
(7.38) |
|
е. = п р - ; |
Е’ = |
^ |
1пС‘ ' |
|||
|
||||||
При этом величины кФт, Сф, |
ск, |
уф, |
Ьф, связанные с газопро |
|||
ницаемостью материала в условиях сжатия, весьма неопределен ны. Для оценок приведем их значения, свойственные углям: кФт=
=0,01-*-0,1 мдарси, |
Сф =10-*-30, In С/? = 7-*-14, Y<Ï>=Ю-^-15, Ьф |
^0,2 (МПа)-1, |
1. Тогда множитель |i в (7.37) для метана при |
давлении ри= 5 МПа и скорости движения забоя '0=1 м/сут со |
|
ставляет 0,4—4 м.
Первое слагаемое в правой части (7.37) учитывает снижение газопроницаемости с ростом внешнего сжатия. Оно уменьшается < с увеличением |<тпо|. Второе слагаемое £2 обусловлено повышением газопроницаемости непосредственно у забоя из-за сильного раз рыхления здесь материала и образования дегазированной зоны от жима. Оно растет с увеличением области необратимых деформа ций. При не очень больших внешних нагрузках определяющим является первое слагаемое. Так, если начальные напряжения при разработке угольного пласта составляют 5 МПа, то оно составля ет 10—300 м, а второе при а=5 м равно 2—7 м. Однако при боль шем сжатии положение меняется. Например, при |ап0|=Ю МПа первый член составляет 1—20 м, а при 11<тпо |=20 МПа он прибли жается к минимальному значению 0,4—4 м. В этом случае решаю щее значение приобретает образование зоны отжима, учитываемое вторым слагаемым (£2) в (7.37). Из (7.36) следует критическое значение эффективной глубины внедрения.
£Л=1,19|о(рл—р а) IPu, |
(7.39) |
где теперь можно £0 определить по формуле |
(7.37). |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Абрамов Ф. А., Шевелев Г. А. Свойства выбросоопасных песчаников как породы-коллектора. Киев, Наукова думка, 1972.
2.Авершин С. Г. Горные удары. М., Углетехиздат, 1955.
3.Айруни А. Т. Научные основы дегазации угольных пластов. Дисс. на соиск. уч. степ, д-ipa техн. наук. М., фонды ИФЗ АН СССР, 1971.
4.Акиньшин Б. Т., Петухов И. М. Структура порового пространства ударо
опасных и выбросоопасных пластов и виды влаги, заполняющей это простран ство. — Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1977,
№3, с. 10— 18.
5.Амусин Б. 3., Линьков А. М. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач линейно-наследственной ползучести.— Механика
твердого тела, 1974, № 6, с. 162— 166.
6. Баренблатт Г. И., Христианович С. А. Об обрушении кровли при горных
выработках. — Изв. АН СССР, 1955, № |
11, с. 73—86. |
|||
7. Бич Я. А. |
Определение |
удароопасности |
угольных, пластов. — Труды |
|
ВНИМИ, 1962, сб. 49, с. 39—63. |
|
|
^ |
|
8. Бич Я. А., Ставрогин А. II., Нимец А. И. Методика и результаты иссле |
||||
дования влияния скорости нагружения |
на прочностные и деформационные свой |
|||
ства горных пород |
в массиве. — Труды |
ВНИМИ, |
1974, сб. 91, с. 126— 130. |
|
9. Бочкарев В. Г. Еще раз о |
горном давлении в окрестности лавы. — Уголь, |
|||
1959, № 11, с. 50—53. |
|
|
|
|
10.Булычев H. С., Амусин Б. 3., Оловянный А. Г. Расчет крепи капиталь ных горных выработок. М., Недра, 1974.
11.Временная инструкция по безопасному ведению гарных работ на рудных
инерудных месторождениях, подверженных горным ударам. Л., ВНИМИ, 1976. IÜ. Газовая динамика подрабатываемых и надрабатываемых угольных пла
стов/ А. Т. Айруни, Ю. Н. Бессонов, Е. И. Д уховный и др. М., ЦНИЭИуголь, 1978.
13.Глушко В. Т., Пай T. II., Ваганов И. И. Охрана выработок глубоких шахт. М., Недра, 1975.
14.Горные удары и борьба с ними/ И. М. Петухов, В. А. Литвин, Л. ККу*
черский и др. Пермь, Пермское книжное изд-во, 1969.
15.Гузь А. Я. Основы теории устойчивости горных выработок. Киев, Нау кова думка, 1977.
16.Ершов Л. В. О .постановке задач устойчивости горных выработок. — Доклады АН СССР, Т. 143, 1962, № 2, с. 305—307.
17. Защитные пласты/ И. М. Петухов, А. М. Линьков, И. А. Фельдман
ядр. Л., Недра, 1972.
18.Зубков В. В. Разработка метода расчета границ защищенных зон при
отработке сайты пластов. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Л., ВНИМИ, 1977.
19.Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склон ных к внезапным выбросам угля, породы и газа. М., Недра, 1977.
20.Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разраба
тывающих пласты, опасные по горным ударам. Л., ВНИМИ, 1976.
21. Карпенко Л. Н. О методе расчета напряженного состояния в окрестно сти неглубокой выработки, пройденной по вертикальному угольному пласту.— Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1965, № 4,
с.3—7.
22.Каталог горных ударов на шахтах СССР/ И. М. Петухов, Б. Ш. Вино
кур, Ф. В. Сысолятин и др. Л., ВНИМИ, 1973.
23. Каталог механических свойств горных пород/ А. Н. Ставрогин,
В.С. Георгиевский и др. Л., ВНИМИ, 1972.
24.Качанов Л. М. Основы механики разрушения. М., Наука, 1974.
25.Киялбаев Д. А. О движении смеси угля (пород) и газа и локализации
выбросов. — Труды ВНИМИ, 1977, сб. 103, с. 80—83.
26. Киялбаев Д. А., Сидоров В. С. О. связи горного и газового давлений.— 1 руды ВНИМИ, 1978, сб. 103, с. 84—87.
27. Кравченко В. С. К вопросу о природе и механизме внезапных выбросов yi ля и газа. — Изд-во АН СССР ОТН, 1955, № 6, с. 101—'108.
28. Либерман Ю, М., Хаимова-Малькова Р. И. Напряженное состояние по род почвы при разработке угольного пласта. — Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского, 1968, № 60, с. 126— 133.
29. Либерман Ю. М., Хаимова-Малькова Р. И. Влияние характера уплотне ния закладочного материала на конвергенцию пород кровли-почвы разрабаты ваемого угольного пласта. — Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1978, № 3, с. 37— 101.
30. Линьков А. М. Некоторые задачи теории разрушения (с приложениями к горной геомеханике). Дисс. на соиск. уч. степ, д-ра физ.-мат. наук. Л., ЛГУ, 1976.
31.Линьков А. М. Об условиях устойчивости в механике разрушения.— Доклады АН ССОР, 1977, т. 233, № 1, с. 45—48.
32.Линьков А. М. Деформация слоя горной породы между жесткими пли
тами.— Труды ВНИМИ, 1978, с. 109, с. 87—95.
33. Линьков А. М., Петухов И. М., Сидоров В. С. О росте трещин в под готовительной стадии и на фронте выброса. — Труды ВНИМИ, 1977, сб. 106,
с.46-55.
34.Лурье А. И. Теория упругости. М., Наука, 1970.
35.Метод граничных интегральных уравнений. Новое в зарубежной науке. Серия «Механика», сб.' 15. Ред. серии А. 10. Ишлинский, Г. Г. Черный. М:, Мир, 1978.
36.Михеев Г. В. К практическому определению прочности горных пород на
сжатие по результатам |
испытаний на |
растяжение. — Труды ВНИМИ, |
1974, |
сб. 92, с. 139—440. |
|
|
|
37. Мусхелишвили. Н. И. Некоторые |
основные .задачи математической |
тео |
|
рии упругости. М., Наука, |
1966. |
|
|
‘ 38. Некрасовский Д. Э. О мерах безопасной разработки угольных пластов,
склонных к внезапным выбросам угля |
и |
газа. — Уголь, |
1974, |
№ 11, с. |
12— 18. |
||
39. |
Никольский А. А. О волнах внезапного выброса газированных пород.— |
||||||
Доклады АН СССР, 1953. Т. 88, № 4, с. 623—626. |
|
пород. — Докла |
|||||
40. |
Никольский А. А. О волнах разрушения газированных |
||||||
ды АН |
СССР, 1953. Т. 91, № .5, с. 1035—'1038 |
|
|
|
|||
41. |
Никольский А. А. |
Волны ' разрушения ‘ газированных углей. — Доклады |
|||||
АН СССР, 1954. Т. 96, № 1. с. 25—28. |
|
|
|
|
|
||
42. Новожилов В. В. О необходимости и достаточном критерии хрупкой |
|||||||
прочности.— Прикладная |
математика |
л |
механика. |
Т. 33, |
1969, |
вып. 2, |
|
с.212—222.
43.Панасюк В. В., Саврук М. П., Дацышин А. II. Распределение напряже ний около трещин в пластинах и оболочках. Киев, Паукова думка, 1976.
44.Петросян А. Э. Выделение метана в угольных шахтах. М., Наука, 1975.
45.Петухов И. М. Поведениё горных пород и угля на шахтах Кизеловского бассейна, опасных по горных ударам. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Л., ЛГИ, 1954
46.Петухов И. М.. Горные удары на шахтах Кизеловского бассейна. Пермь, Пермиздат, 1957.
47. Петухов И_. М. Горные удары на угольных шахтах. М., Недра, 1972. 48. Петухов И. М., Линьков А. М._ Об энергетическом критерии устойчиво
сти в теории горных ударов. — Труды ВНИМИ, 1974, сб. 91, с. 182— 194.
49. Петухов И. М., Линьков А. М. Механизм развязывания и протекания выбросов угля (породы) я газа. — В кн.: Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. М., Недра, 1978.
50. Правила безопасности на угольных и сланцевых шахтах. М., Недра, 1976.
51. Проскуряков. H. М., Фомина В. Д., Рожков В. К. Газодинамические явления на Солигорских калийных рудниках. Минск, Полымя, 1974.
52. Работа Э, Н. Исследование напряженного состояния массива горных пород и определение границ зон, защищенных от горных ударов, при негори-
ОГЛАВЛЕНИЕ
П р ед и сл ов и е .................................................................... |
|
|
|
|
|
|
§ |
5 |
1. Механические свойства горных п о р о д .......................... |
|
|
|
|||||
1.1. Полная |
диаграмма |
деформация — напряжение |
|
5 |
||||
1.2. Запредельные |
диаграммы |
свойств................................. |
|
|
|
12 |
||
1.3. Влияние |
запредельных |
|
|
|
19 |
|||
2. Линейная механика |
разрушения . . . . |
. . . . |
. |
35 |
||||
2.1. Роль структуры и роста |
т р е щ и н .......................... |
|
|
. |
35 |
|||
2.2. Рост трещин и эффективная поверхностная энергия |
. . . |
38- |
||||||
2.3. Необратимые |
деформации |
и рост трещин при |
сжатии |
горных |
|
|||
п о р о д ................................................................................................. |
растягивающих |
усилий |
|
|
47 |
52 |
||
2.4. Действие |
|
давления газа |
||||||
2.5. Действие |
внешних |
нагрузок я внутреннего |
55 |
|||||
3. Проблема устойчивости в горной геомеханике |
|
|
. . |
60 |
||||||||||
3.1. О |
проблеме устойчивости |
в |
механике . |
|
. . . |
60 |
||||||||
3.2. Определение |
у стой ч и в ости ........................................................ |
|
|
|
63 |
67 |
||||||||
3.3. Критерии устойчивости й неустойчивости в горной геомеханике |
||||||||||||||
3.4. Сжатие |
двух |
стержней |
....................................... |
жесткими |
плитами |
|
|
74 |
||||||
3.5. Тонкий |
слой породы |
между |
|
|
76 |
|||||||||
4. Теория подготовительной стадии |
динамических |
явлений . . . |
85 |
|||||||||||
4.1. Состояние массива пород, не |
тронутого |
горными |
работами |
84 |
||||||||||
4.2. Сдвижение и деформации горных пород около выработок |
91 |
|||||||||||||
4.3. Теория |
|
опорного |
д а в л ен и я ............................................. |
|
давления . |
111 |
||||||||
4.4. Практическое использование |
теории опорного |
131 |
||||||||||||
4.5. Связь |
горного |
давления |
и газодинамических |
параметров |
133- |
|||||||||
5. Общие закономерности динамических явлений в шахтах |
|
|
148- |
|||||||||||
5.1. Основные виды и этапы |
динамических |
явлений . |
|
148 |
||||||||||
5.2. Энергетический |
б а л а н с .......................... |
равновесия . |
|
. |
|
150* |
||||||||
5.3. Об устойчивости |
состояния |
|
|
|
176 |
|||||||||
5.4. Волны |
|
разрушения |
при |
динамических |
явлениях . . . . |
191 |
||||||||
5.5. Движение |
продуктов |
разрушения |
и окончание |
динамических |
198 |
|||||||||
явлений |
|
. |
. |
|
. |
. |
. |
|
|
|
|
|||
6. Горные |
удары |
..................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
горных |
ударов . |
200 |
|||
6.1. Внешние проявления и классификации |
200 |
|||||||||||||
6.2. Оценки |
склонности |
|
горных пород |
разрушению . |
206 |
|||||||||
6.3. Сравнительная опасность различных горнотехнических ситуаций |
211 |
|||||||||||||
6.4. Особенности инициирования и распространения разрушения |
220 |
|||||||||||||
6.5. Теория расчета целиков с учетом |
опасности |
горных |
ударов |
223 |
||||||||||
6.6. Условия |
безопасности по |
фактору |
давления . |
236 |
||||||||||
7. Выбросы угля (песчаника, соли) |
и г а з а |
выбросов |
241 |
|||||||||||
7.1. Общность |
внешних |
проявлений |
и |
241 |
||||||||||
7.2. Достаточные условия распространения волны |
дробления |
245 |
||||||||||||
7.3. Роль |
горного |
давления . . . . |
. . |
. |
255 |
|||||||||
7.4. Особенности |
распространения |
в о л н ................................ |
|
|
|
256 |
||||||||
7.5. Движение смеси газа и частиц и ударная воздушная волна |
266 |
|||||||||||||
7.6. Критерии |
безопасности |
. |
|
. . . . |
|
|
. |
267 |
||||||
Список литературы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
275 |
|||
ИГНАТИИ МАКАРОВИЧ ПЕТУХОВ АЛЕКСАНДР МИХАИЛОВИЧ ЛИНЬКОВ
МЕХАНИКА ГОРНЫХ УДАРОВ И ВЫБРОСОВ
Редакторы издательства Б. А. КУЗНЕЦОВ, О. И. СОРОКИНА
Переплет художника А. А. ЗУБЧЕНКО Художественный редактор. О. Н. ЗАЙЦЕВА
Технический |
редактор Л. Г. ЛАВРЕНТЬЕВА |
|||
|
Корректор Л. А. СТОЛЯРОВА |
|||
|
|
ИБ № 3278 |
|
|
Сдано в набор 21.04.82. |
Подписано в печать 23.10.82. |
|||
Т-17853 |
Формат (ЮХ90‘/н |
Бумага типографская Кз I. |
||
Гарнитура .Литературная" Печать высокая |
Уел. печ. л. 17,5. |
|||
Уел. К р . - о т г . |
17,5 |
Уч.-изд. л. |
19,7. |
Тираж 4000 акз. |
Заказ 133/7738-10 |
Цена 3 р' 30 к. |
|||
Ордена «Знак Почета» издательство сНедра». 103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19
Ордена Охтябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первая Образцовая топография имени А. А. Жданова Союзподиграфпрома при Госу дарственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, М-54, Вало
вая, 28