CC BY
30
способности профилей СВП аналогичных типоразмеров на 48 %, и ещё раз подтверждают вывод о необходимости применения новых прокатных профилей СВПУ при креплении горных выработок.
Список литературы
1. Каретников В.Н., Клейменов В.Б. Рациональный профиль элементов металлической крепи // Проектирование и строительство угольных предприятий.1971. № 8 (151). С. 19.
2. Залесский К.Е., Клейменов В.Б. Рациональные профили металлической шахтной крепи // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд. МГГУ, 2008. № 7. С. 317-326.
K.E. Zalessky, V.B. Kleymenov, J. I. Klimov
LABORATORY RESEARCHING RESULTS OF NEW ROLLING SECTION OPERATIVE EMBODIMENTS OF MINING LINING
Special rolling section SVPU developed at the Tula State University is intended for use in pliable connections mine lining and favorably differs from rolling section SVP, which using now. Results of laboratory researches at the axial stretching and bend were given at this paper confirm advantages of the rolling section SVPU.
Key words: structure mine lining, laboratory researches, mine lining, SVPU, SVP, efficiency.
Получено 12.11.12
УДК 622.831.332:551.24
В.В. Круковская, канд. техн. наук, доц., (38050) 834-70-05, [email protected] (Украина, Днепропетровск, ИГТМ НАН Украины)
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЫБРОСА УГЛЯ И МЕТАНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫРАБОТКИ
Представлены результаты численного моделирования процесса выброса угля и метана в забое одиночной горной выработки для случаев, когда она проводится комбайновым и буровзрывным способами по выбросоопасному пласту. Приведен анализ распределения коэффициентов проницаемости перед забоем, значений давления и скоростей фильтрации газа.
Ключевые слова: моделирование процесса выброса угля и газа, буровзрывной способ проходки, моделирование БВР, комбайновый способ проходки выработки.
Взрывные работы (технологические и особенно сотрясательное взрывание) зачастую являются причиной выбросов угля и газа и единст-
венной причиной выбросов породы и газа [1]. Статистика выбросов в различных угледобывающих странах мира показывает, что более 60 % выбросов происходит в результате ведения взрывных работ. По данным за период 1976-1987 г/г., [2] в Донецком угольном бассейне в подготовительных выработках на пологих пластах 26 % выбросов произошло непосредственно во время или после ведения буровзрывных работ (БВР).
Исследуем методами математического моделирования и сравним параметры протекания процесса выброса угля и метана при буровзрывном и комбайновом способах проходки горной выработки на угольных шахтах. Задача о взрыве зарядов ВВ в газонасыщенном углепородном массиве с одиночной выработкой состоит в определении изменяющегося во времени напряженно-деформированного состояния породного массива, параметров нестационарной фильтрации газа и распространения взрывной волны.
Для упрощения расчетов примем, что взрывание шпуровых зарядов в забое выработки происходит одновременно. В этот момент времени в глубь массива начинает распространяться волна сжатия, накладывая на существующее поле напряжений дополнительные сжимающие напряжения, вызванные взрывом. Для расчета радиальной аг (г, г) и тангенциальной (г, г) составляющих волны напряжений от взрыва сосредоточенного заряда, в диапазоне расстояний г = (20 +100 )Я0, где Я0 - радиус заряда, будем использовать зависимости Боровикова В. А. и Ванягина И.Ф. [3]. Когда волна сжатия подходит к открытой поверхности забоя, она отражается от нее, превращаясь в волну растяжения, центром которой является точка, симметричная центру взрыва относительно поверхности забоя.
Изменение во времени напряженно-деформированного состояния породного массива, проницаемость среды и нестационарное движение газа в нарушенном массиве описываются системой уравнений
а7, 7
+ X (г) + у (г) + Т1 (г) + р(г ) = Рп
И
Эг2
1,7 = х, у;
ЭР , э (иЭР
т Эг Эх
к^-Эх
Э
+— Эу
к дР
к Эу,
+ ч(г ) = 0;
к = к + к •
Л ^тект 1 Лтехн'
к, _ = / (а, г)
(1)
где а у 7 - производные от компонент тензора напряжений по х, у; X ^ (г)
внешние силы; г - время; у (г) - сила воздействия взрывной волны; Т1 (г) -силы, вызванные внутренним трением, Т (г) = -оё Эиг /Эг; - коэффициент демпфирования, определяемый экспериментально; Р(г) - сила давления газа; рп - плотность породы; и - перемещения; /тг - вязкость газа;
р - его давление; к - полное поле коэффициентов проницаемости пород; ц (г) - интенсивность источников газовыделения; ктехн - технологическая проницаемость, вызванная перераспределением поля напряжений в результате проведения горной выработки [4]; ктект (х, у) - начальная, тектоническая проницаемость, которая развивается в углях в результате тектонических процессов.
Для математического описания процесса перехода горных пород в нарушенное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое учитывает возможность возникновения разрушения как в результате сдвига, так и в результате отрыва.
Начальные и граничные условия для данной задачи:
уИ; р\о1 (г )= °,8 •Кводы И
ауу
г=0
=0 = 1]И; р о 2 = Ру; Ру = 0,1 МП*
Ы=0 = 1уИ;
Р[=0 = 0,8 • УводыК
Рг
Рй
к тект = / (х, у);
их О 3 = 0;
иу о 4 = 0,
=гвзр, х=хвзр, у=увзр 2
где у- усредненный вес вышележащих горных пород; И - глубина разработки; 1- коэффициент бокового распора; уводы - плотность воды;. О! (г) - изменяющаяся во времени граница области фильтрации; о 2 - внутренний контур; о3 - вертикальные границы внешнего контура; о 4 - горизонтальные границы внешнего контура; ру - давление воздуха в выработке, Рй - детонационное давление; гвзр - момент взрыва; хвзр, увзр - координаты центра взрыва.
Исходя из полученных данных [5], можно сказать, что детонационное давление для основных ВВ, применяемых на практике, изменяется в пределах Ра = 1500 ■ 24000 МПа.
Чтобы получить решение системы (1) на определенном временном промежутке, применяется конечно-разностный метод. При этом считается, что в начальный момент времени г = 0 распределение напряжений и давления задано, и для достаточно малых значений Аг с помощью итерационных соотношений получаем распределение напряжений, давления метана, скоростей его течения и расходов на момент времени г + Аг. Этот процесс продолжается от исходного состояния до любого текущего момента времени.
Рассмотрим случай, когда забой выработки высотой 3 м находится на расстоянии 9,75 м от тектонического нарушения типа «сброс» с амплитудой смещения 1 м, вокруг которого расположена десятиметровая зона
перемятого угля. Мощность выбросоопасного угольного пласта 1,5 м, глубина проведения выработки 1000 м, газоносность угля - 20 м /т, содержание метана в свободной форме 10 %, в сорбированной - 90 %. Вмещающая порода - аргиллит. Свойства пород приведены в таблице.
Характеристики пород
Порода Модуль упругости Е, МПа Коэффициент Пуассона т Сцепление, С, МПа Угол внутреннего трения (р° Прочность на растяж. ор, МПа Плотность, Г кг/м3 Скорость звука в породе с, м/с
Аргиллит 104 0,2 3,5 30 -2 2 103 5 103
Уголь 5*103 0,2 1,75 30 -1 1,25 103 3 103
Проведем два расчета с помощью метода конечных элементов: в одном случае выработка проводится буровзрывным способом (радиус заряда Я0 = 0,025 м, взрывание происходит в момент времени t = 0,2 с); в
другом случае - комбайном. Конечно-элементные сетки для обоих случаев показаны на рис. 1. Шаг по времени составляет 0,1 с. Длина шпуров 1 - 3 I ш = 2,0 м.
В результате получим распределение геомеханических и фильтрационных параметров в различные моменты времени. На рис. 2 показаны изолинии относительного давления метана и рост полости выброса в различные моменты времени.
б
Рис. 1. Центральный фрагмент конечно-элементной сетки: а - при буровзрывном способе проходки с шпурами для отбойки угля и породы (1-3); б - при проходке комбайном
Видно, что в момент взрыва в зоне взрывания шпуровых зарядов давление образующихся газов превосходит давление метана в нетронутом массиве. Одновременно происходит резкое снижение давления метана в пространстве между плоскостью забоя и плоскостью взрывания - образуется полость с глубиной, приблизительно равной I ш ( рис. 2,а). Откол угля и породы вызывает мгновенное обнажение новой поверхности забоя. Минимальная компонента тензора напряжений на этой поверхности равна нулю, а в непосредственной близости к ней еще сохраняются значительные сжимающие напряжения области опорного давления. Это обуславливает возникновение высоких градиентов напряжений на контуре образованной полости. Кроме этого, большая площадь вновь образованной поверхности, высокие значения коэффициента проницаемости приконтурной части угольного пласта (рис. 3, б-г) вызывают интенсивную десорбцию метана. Скорости фильтрации в этой зоне резко возрастают, газ начинает отрывать отделенные трещинами пластинки угля, обнажается следующий поверхностный слой - и весь процесс повторяется снова. Другими словами, происходит развитие самоподдерживающегося процесса выброса угля и метана, спровоцированного взрывом.
Из расчетов следует, что время протекания динамического процесса 7 с. В течение этого времени градиенты давления принимают очень высокие значения. Происходит образование полости выброса в угольном пласте, длина которой достигает 6,6 м. Затем рост полости останавливается (рис. 2, д, 3,д), скорости течения метана падают, давление метана в угольном пласте продолжает медленно снижаться, исчезает зона высокой проницаемости на фронте выброса - геомеханические процессы и процесс течения газа возвращаются к квазистационарному режиму.
5:
а
т г
б
р/ро=ОЛ
рфо= 0.5
р/ро= 0.9
р/р,= 1.5
Рис. 2. Изобары относительного давления метана и рост полости выброса при буровзрывном способе проходки: а - * = 0,2 с; б - * = 4 с; в - * = 6 с; г - * = 8 с
г
Без применения сотрясательного взрывания получим развитие процесса выброса, показанное на рис. 3, время его протекания 11 с.
(в)
/-0 1 / 0 5 (Г) /09 /15
Рис. 3. Изобары относительного давления метана и рост полости выброса при проходке выработки комбайном а - * = 2 с; б - * = 4 с; в - * = 8 с; г - * = 12 с
На первых секундах происходит инициация выброса; в интервале 2...10 с - собственно процесс выброса, 10...11 с - его затухание. Длина полости выброса при данных условиях достигает 6,5 м. Можно заметить (рис. 2,г-д и 3,д-ж), что давление метано-воздушной смеси внутри полости выброса в течение процесса выброса увеличивается с 0,1 до 3 МПа. Это происходит из-за частичного или полного перекрытия поперечного сечения выработки массой разрушенного угля, временного повышения давления воздуха в самой выработке. Изменение граничных условий - повышение давления метана на контуре полости выброса - является одним из условий затухания процесса выброса угля и газа, что отмечено и Г. А. Шевелевым [6].
Сравним полученные распределения проницаемости на фронте выброса при проходке выработки буровзрывным способом с данными по проницаемости на фронте выброса при проходке комбайном [7] (рис. 4).
Из рис.4 видно, что при прочих равных условиях кривые изменения максимальной проницаемости на фронте выброса имеют значительные отличия: время протекания выброса при БВР уменьшается на 4 с за счет сокращения второй стадии - стадии протекания процесса, при этом время инициации и затухания остается неизменным; проницаемость в начальный период процесса выброса при БВР в 1,5 раза выше за счет влияния действия взрыва.
Из экспериментальных наблюдений [8] следует, что в период протекания выброса у поверхности обнажения существует и перемещается вместе с ней зона разрушения глубиной 0,3.0,5 м, в пределах которой система образующихся трещин нормально ориентирована к направлению развития выброса. При расчетах получено, что зона разрушения на фронте выброса имеет глубину 0,25.0,3 м для принятых начальных и граничных условий.
Рис. 4. Сравнение проницаемости на фронте выброса при комбайновом
и буровзрывном способах проходки
В результате моделирования протекания процесса выброса при буровзрывном способе проходки получено, что в момент времени ? = 0,2 с наблюдается резкий скачок давления газа, вызванный взрыванием шпуровых зарядов. За счет практически мгновенного образования большого количества газа при химическом превращении вещества во время взрыва возникает большое давление на стенки шпура. Создается огромный градиент давления газа, совершающий работу по отрыву и выносу кусков угля и породы в пространство выработки. Далее в течение основного времени протекания процесса ^ = 2.. .7 с) давление метана резко падает с 8 МПа в глубине массива до 0,1.2 МПа на вновь образованной свободной поверхности полости выброса. Большой перепад давления обуславливает развитие скоростей течения метана, достаточных для разрыва расслоившегося угля на мелкие пластинки и выноса их на большие расстояния вглубь выработки. На стадии затухания, при ? = 8 и 9 с, величина градиентов давления метана уменьшается на порядок.
Сравнивая полученные распределения давления метана на фронте выброса при проходке выработки буровзрывным способом с такими же данными при проходке комбайном, увидим, что отличаются они продолжительностью процесса, как уже отмечалось выше, и наличием пика давления в момент времени 1 = 0,2 с.
При анализе расчетных полей скоростей фильтрации метана получено, что при прочих равных условиях кривые изменения максимальных скоростей на фронте выброса имеют следующие отличия: максимальные скорости течения газа в начальный период процесса выброса при БВР выше в 17,3 раза за счет влияния действия взрыва; в период протекания процесса выброса - в 1,4 раза; в период затухания - в 1,3 раза.
Таким образом, процесс выброса при проходке выработки буровзрывным способом протекает быстрее и имеет большую интенсивность.
Список литературы
1. Формирование выбросоопасных зон в углепородном массиве и способы предотвращения выбросоопасности на шахтах/ А.И Жаров [и др.]. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2006. 92 с.
2. Каталог внезапных выбросов угля и газа на шахтах / Украинский фил.ВНИИ горн. геомеханики и маркшейд. дела, Л: ВНИМИ, 1989. 195 с.
3. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. М.: Недра, 1990. 231 с.
4. Круковская В.В. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием компьютерного моделирования //Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: материалы XVII Междунар. науч. школы. Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. С. 152-154.
5. Ефремов Э.И., Харитонов В.Н., Семенюк И. А. Взрывное разрушение выбросоопасных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979. 256 с.
6. Шевелев Г. А. Динамика выбросов угля, породы и газа. Киев: Наукова. думка, 1989. 160 с.
7. Круковская В.В. Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса / Геотехническая механика: межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. Днепропетровск. 2008. № 78. С.34-42.
8. Трифонова Н.В. О закономерностях изменения газодинамических параметров зоны разрушения в процессе выброса // Выбросы угля, породы и газа. К.: Наукова думка, 1976. С. 60-64.
V. V. Krukovskaya
CHANGING PARAMETERS OF THE COAL AND GAS OUTBURST BY DIFFERENT DEVELOPMENT METHODS
Results of numerical modeling coal and methane outburst process in the single working face for two situations, when it is driving by a development machine or drill and fire system by outburst-dangerous seam were presented. Analyzing permeability coefficient, pressure andfiltration velocity distribution in marginal coal seam part were shown.
Key words: modeling coal and methane outburst process, drill and fire system, by a development machine.
Получено 12.11.12
