CC BY
39
---------------------------------------- © С.Е. Германова, 2009
УДК 331.45+[622.012.2+662.482.2]
С.Е. Германова
ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОЙ ВОЛНЫ НА СОСТОЯНИЕ КРЕПЕЖНЫХ РАМ
Рассматриваются вопросы воздействия на стенки выработки и крепления прямой и отраженной воздушных волн при взрыве метана. Представлены формулы для расчета силы удара на раму крепления. Даны рекомендации о решении актуальной проблемы при обрушениях подземных конструкций шахт, вызванных взрывными воздействиями.
Ключевые слова: выбросы метана, взрывы рудничного газа, угольные шахты, метаноносность угля.
Объем добычи угля в России возрастает и будет расти для удовлетворения энергетических потребностей страны. С ростом добычи возрастет глубина очистных забоев, в которых выделяется больше метана на тонну добываемого угля. За последние годы выросло количество внезапных выбросов метана и произошло множество непредсказуемых взрывов, повлекших летальный исход шахтеров, находившихся в шахте в момент взрыва газа. Ежегодно от взрыва метана в угольных шахтах разных стран погибает не одна сотня шахтеров.
Статистика (за последние 15 лет) говорит, что на каждые десять миллионов тонн добытого угля приходится более двух жизней шахтеров. При этом следует, что каждый взрыв уносит не менее десятка рабочих, затрачивается масса труда и средств на извлечение оставшихся в завале шахтеров, миллионы рублей компенсации семья погибших, а также на восстановление самого горнодобывающего предприятия.
Аварии природно-техногенного характера вызваны нарушениями равновесия в массиве природных сил. Их равновесие нарушается ведением горных работ и, в первую очередь, обнажениями, создаваемыми при проходческих и очистных работах. К таким авариям (опасным явлениям) относятся: горные удары, выбросы горных пород и газа, взрывы газа и пыли, загазирования, обрушения, оползни, затопления, а также пожары от самовозгорания горных пород [1].
Крупнейшие аварии при взрывах рудничного газа в угольных шахтах стран СНГ в 2000-2007 гг.
Страна Шахта Год Кол-во погибших
Украина Им. Н.П. Баракова 2000 80
Украина Им. А.Ф. Засядько 2001 55
Украина Им. А.Ф. Засядько 2002 20
Россия “Тайжина” (Кемеровская обл.) 2004 47
Украина “Краснолиманская” 2004 34
Казахстан “Шахтинская” 2004 23
Россия “Есаульская” (Кузбасс) 2005 25
Казахстан Им. В.И. Ленина 2006 41
Россия “Ульяновская” (Кузбасс) 2007 108
Россия “Ульяновская” (Кузбасс) 2007 39
Украина Им. А.Ф. Засядько 2007 106
Один из основных природных факторов, который негативно влияет на технологическую и экологическую деятельность угольных шахт, является почти повсеместный рост метаноносности угля, так как с ней связаны непрерывные выделения взрывоопасного газа - метана и наиболее опасные проявления сил горного давления и метаноносности угля - внезапные выбросы угля и метана [2].
Метан представляет одну из опасных составляющих рудничного воздуха. Его наиболее опасные свойства - горючесть и взрывчатость. Установлено, что взрывы метана и угольной пыли из всех аварий на шахтах являются наиболее сложными и опасными. В результате этих аварий часто возникают пожары, обрушения, завалы в горных выработках, отравления и другие не менее тяжелые последствия. Иногда даже не возможно извлечь пострадавших и восстановить выработки в пределах участка, крыла шахты для возобновления горных работ (шахта им. Л.Д. Шевякова в Кузбассе).
Взрывы в шахтах, как правило, являются нарушением Правил безопасности (ПБ) в угольных шахтах и Правил технической эксплуатации (ПТЭ) оборудования и производства ремонтных или вспомогательных работ. Нарушения ПБ и ПТЭ нужно исключить, но время от времени безответственные исполнители их нарушают. Результат нарушения - взрыв, создающий воздушную волну и воздушный удар. Другой фактор, создающий воздушную волну и гор-
ный удар, - обрушение кровли в очистном забое или в штреке (штреках).
При взрыве, как правило, происходят два удара - прямой и обратный к источнику взрыва.
При внезапных взрывах метана в шахте воздушная волна распространяется во все стороны выработанного пространства: по лаве, по штрекам, шурфам. Распространение воздушной волны по выработкам идет со скоростью 330 м/с. Этот же взрыв вызывает сейсмическую волну, которая распространяется по массиву пород, окружающих выработанное пространство. Скорость сейсмических волн зависит от физико-механических свойств пород и достигает 5000 м/с. Обе волны оказывают равнонаправленное давление, но сила каждого давления не равнозначна и в определенных ситуациях названные волны оказывают суммарное давление, в иных - разнонаправленное (сжатие, растяжение, сжатие и растяжение).
Рассмотрим вариант воздействия волны взрыва метана на стенки выработки.
Сейсмическая и воздушная волны вызывают в породах стенок выработки напряжение сжатия ( Fс + Fв ). Волны взрыва от условного сечения выработки двинулись дальше, но сейсмическая волна значительно опережает воздушную волну. В результате на стенках создается напряжение растяжения, что вызывает трещиноватость массива на некоторую глубину от поверхности выработки. И тут накатывает воздушная волна, которая создает повторное напряжение - сжатия. Вслед - напряжение растяжения. И происходит обвал пород, завал выработки. В некоторых случаях может возникнуть вторичная волна (волны), что усилит эффект обрушения - завала выработки. Возможен вариант повторения взрыва метана через незначительный интервал во времени от первого, что может вызвать значительные и неоднократные обвалы стенок и кровли выработки.
Сила удара на раму крепления зависит от площади рамы крепления, массы воздействия воздушной волны и ее скорости распространения:
Fуд = f (Рв , Sк, Ув, то),
m V2
где Рв = —°—^, Ра; Sк = 11к • 1к, м; Ув = 330 м/с; щ = 0,00065, кг/м.
2
Расчет силы удара воздушной волны на раму крепления определяет параметры связующих элементов смешанных рам.
Также, воздушная волна, перемещаясь по штреку, вызывает давление на крепежную раму. Прочностные характеристики рассчитаны на статическое давление на «верхняк». Боковое давление, на которое рассчитана рама, удерживается «верхняком» и стойкой со стороны выработки.
Прочностные расчеты приведены в учебниках и справочниках по проведению и креплению горных выработок. Но продольное давление на крепежную раму, возникающее вдоль выработки от обрушения кровли, не рассчитывается. Большинство случаев завалов штреков произошло или на старых шахтах или на выработках, закрепленных деревянной крепью.
Динамика обрушения (создание завала) кровли с последующим завалом такова. Воздушная волна давит на крепежную раму силой F, чему оказывает сопротивление сила трения G. Величина G определяется элементами крепления рамы от разрушения клиньями. Чем меньше G , тем больше вероятность разрушения рамы. Обрушение рамы происходит опрокидыванием ее вдоль штрека.
При этом на соседнюю раму воздействует не только F, но и сила G, представляющая собой силу удара падающих по кривой «верхняка» и стоек. Таким образом, на соседнюю раму воздействует сила:
Fl = F + к ^
где к - поправочный коэффициент.
Падение рам продолжается, причем сила F уменьшается, а сила kG возрастает до какого-то значения. Это продолжается до тех пор, пока сила G превышает F + kG , то есть до тех пор, пока не произойдет встреча падающей рамы с добросовестно установленной рамой. Одновременно с падением крепежных рам в какой-то момент начинается обрушение пород кровли выработки, что перекрывает доступ к околоствольным выработкам. Происходит завал, из которого выбраться довольно сложно.
Воздушная волна, ударившись о преграду, возвращается вспять. В каком-то месте происходит встреча прямой и обратной волн. Движение волны в обратном направлении вызывает падение крепежных рам в новом месте. И происходит новый завал. Все выходы перекрыты. Приходится затрачивать много сил, технических средств на спасение людей. Останавливаются добычные работы. Колоссальные экономические потери, но еще страшнее человеческие потери. Потери необходимо предотвратить. Но как?
Техника и технология добычи угля практически не совершенствовалась вот уже 30 - 40 лет. Вносятся лишь незначительные изменения. Нужны новые разработки, обеспечивающие производительность лав 600 - 1000 т/час. (10 - 15 тыс.т/сутки). Нужны разработки, которые обеспечат площадь обнажения кровли в лаве не более 2 - 3 м2.
Прежде, чем перейти на значительное увеличение нагрузки на лаву, необходимо коренным образом изменить техническое оснащение лавы. Механизированные крепежные комплексы при работе очистной машины должны вслед за продвиганием очистного забоя крепить кровлю лавы. Частично действующие комплексы конструктивно к этому готовы, достаточно лишь незначительное их конструктивное совершенствование.
Результатом реконструкции комплекса будет исключено обрушение кровли в лаве, исчезнут условия образования воздушных ударов.
Крепление штреков необходимо рассчитывать на статические и динамические нагрузки с соответствующим конструктивнотехническим и технологическим изменением установки крепления в шахте. Даже если где-то произойдет обрушение кровли или взрыв метана, штрек не обрушится.
Необходимо по длине штрека возводить уширительные камеры с устройством в них амортизаторов давления в движущейся воздушной волне. Такое мероприятие должно обеспечить резкое (в три - пять раз) уменьшение давления воздушной волны и возможного воздушного удара.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Охрана труда. Учебник для вузов. / Под ред. К.З. Ушакова. М.: Недра, 1986г. - 624 с.
2. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Изд. Академии горных наук, 2000г. - 519 с. ШИН
Germanova S.E.
INFLUENCE OF AIR-WAVE ON THE CONDITION OF GUIDE FRAMES
Here the questions of influence of air-wave on sides, and timbering of direct and reflected air-waves while methane exploding are examined. The formulas for calculating the force of a blow on a guide frame are presented. The recommendations for solving an actual problem while collapsing of underground constructions of a mine, caused by explosive effects, are given.
Key words: methane ejections, firedamp explosions, coal mines, methane fullness of coal.
— Коротко об авторе ---------------------------------------------
Германова С.Е . - Магистр техники и технологий по направлению «Горное дело», Российский университет дружбы народов. Аграрный факультет. Кафедра «Безопасность жизнедеятельности и управление природными и техногенными рисками», e-mail: se. germanova@mail.ru
