Аналитическая связь между крепью, скоростью подвигания забоя и шириною рабочего пространства

Возьмем формулу первичного горного давления для крепи из стоек (1,86):

Р = С_с)/1п(1 + Д,0 (а)

11 П М. Цимбаревич
и введем в нее наибольшую ширину рабочего пространста B_miX (ко- трой отвечает наибольшее горное давление для стоек на границе с выработанным пространством) и среднюю скорость подвигания за­боя v_v Очевидно, что при этом будет иметь место соотношение:

i(б)

Внеся (б) в (л), получим-

Я = Сс ]Лп ( 1+Д. ^i) . (1,97)

Формула (1,97) дает искомую связь между крепью, шириною ра­бочего пространства и скоростью подвигания забоя. Из нее следует, что чем больше скорость подвигания забоя, тем давление на крепь меньше, а также, что при прочих одинаковых условиях увеличение ширины рабочего пространства связано с увеличением давления на крепь у границы с выработанным пространством.

Формулу (1,97) можно представить в виде:

> \ v_t /

а также в виде

Р \2

В

______ Z± . (2,97)

В формуле (2,97) правая часть полностью относится к крепи, и ес­ли последняя задана, то могут быть установлены значения #_тах и v„ и наоборот.

§ 98. Общий режим работ в очистном забое

Для данного очистного забоя могут быть правильно оценены постоянно дейст­вующие факторы и найдена оптимальная комбинация переменных факторов, однако если общий ход работ не будет на практике строго выдержанным, то успешного управления горным давлением не получится.

Для оценки общего режима работ может служить показатель удельного опуска­ния кровли, равный

е _ ^птах

В '

где /г_тах — наибольший прогиб кровли к концу цикла, измеряемый в точке на линии, перпендикулярной забою посередине рабочего пространства у старого ряда органной крепи (при работах с обрушением,! или вообще на той же линии в той же точке, где эта величина наибольшая (при работах с закладкою); В — шаг обру­шения или величина продвигания забоя за цикл работ.

Величина Л_тах отвечает принятой системе крепления. Чем более жесткой будет крепь, тем величина Л_тах меньше, н наоборот. В общем случае эта величина зависит от фактических продолжительности цикла работ Т н величины подвигания забоя за это время. Одно и то же числовое значение Л_тах может быть получено за короткий промежуток времени, но при большой величине подвигания !абоя за этот промежуток, и наоборот.

Продолжительность цикла Т устанавливается с учетом техно-экономических и организационных факторов. При вполне установившемся процессе работ эта вели­чина представляет при В = const постоянную величину.

Допустим, что вследствие каких-либо неполадок, вызвавших простои рабог, продолжительность цикла оказалась большей, чем установленная. Тогда при одной и той же величине В опускание кровли /г_тах окажется большим, чем допускаемое принятой системой крепления, и показатель е в своем числовом выражении пред­ставится увеличенным. Это приведет к увеличению горного давления, и если проч-

.{SW^I?*■-"» -Г"-⁷" TV «"WTV |-FWJI»y

ность крепи прн атом будет превзойдена, то и к преждевременному обрушению кровли. Практически эюго избежать можно пугем усилении крепн илн уменьшения величины В. Показатель г в общих с |учаях сох анмт установленное для не о зна­чение Однако оба эти решения не явтнются рациональными в первом случае уве­личивается расход крепежных материалов, во втором случае — меняется зстановлен- ный режим работ.

С другой стороны, получение к концу каждого цикла показателя е меньшим чем установленное его значение, указывает на изменение естественных условтй н, в частности, hi то что применяется при постоянном зтчении В нзтишне )силен- ная крепь Отсюда — необходимость изменений в креплении и устаиов!ения нового показателя s меньшего чем первоначальный, если не меняется величина шага об­рушения.

Из изложенного следует, что показатечь е может служит также общей число­вой характеристиксй данной системы крепления Эта последняя характеризуется известным удепьным расходом крепежных материатов Таким образом, показателю удельного опускания кровли е отвечает удельный расход крепежных матер садов. Более того, поско!ьку показатель е относится к усыновленному в данной выработ­ке цнчлу работ, постольку с ним могут быть связаны и такие показ лели, как производительность труда, удельный расход энергии показатели использования ма­шин н механизмов и т д. Отсюда нокауте ib s приобретает еще более общее зна­чение.

§ 99. Об отжиме угля

Отжим VIля представляет собою по существу пластическую де­формацию части угольною пласта, ограниченной забоем и служащей опорой непосредственной кровли Под влиянием первичного горно­го давления угольный пласт заметно деформируется, и в этом его со­стоянии добыча угля облегчается.

Благоприятными условиями для получения отжима угля являются, способность пласта или его отдельных пачек или прослойков (если они имеются) к пластической деформации и наличие достаточно жесткой почвы. Если жесткость горной породы оценивать произведением Е-А (Е — средний модуль упругости и Д — плотность), то это произведение для угля должно быть значительно меньше, чем для породы почвы. Если соотношение величин Е-А будет обратным, то может иметь мес­то вместо отжима так называемып зажим угля.

Механизм отжима угля может быть представлен следующим обра­зом Под влиянием постепенно нарастающего горного давления пачки угля или прослойки сторонних минеральных включений в пласте (кальцита, гипса ит п ), способные пластически деформироваться, начинают выжиматься или как бы „вытекать" из пласта, давая тем са­мым возможность разрушатося остальной, более хрупкой, части плас­та. Этот процесс, понятно, будет протекать наиболее эффективно при наличии жесткого основания (почвы).

Управление отжимом угля практически возможно путем регулиро­вания величины горного давления, что достигается изменением шири­ны рабочего пространства или скорости подвигания забоя.

^ Ц , " ^ * 'Mffisz ■

ГЛАВА IX

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ДОБЫВАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 100. Вводные замечания

В этой главе излагаются элементы теории добываемое™ горных пород, разработанной автором на основе энергетического определе­ния твердости твердого тела, приведенного в § 16. Эта теория дает объективный мегод оценки добываемости горных пород и при этом весьма простой для применения. Этот метод требует несложных опе­раций в забое и последующего ситового анализа добытой породы. Небольшие по объему расчеты производятся по весьма простым формулам.

Помимо приложений, теория имеет, по мнению автора, и большое принципиальное значение, как значительно расширяющая комплекс вопросов, рассматриваемых механикой горных пород.

§ 101. Определения

Добыча — отделение при помощи горных работ части горной по­роды от ее массива. Этот термин обычно применяется по отношению к полезным ископаемым. Однако, имея в виду более общий случай, в последующем различия между полезным ископаемым и пустой по­родой не делается.

Добыча в горном деле является основной операцией и потому имеет особо важное техническое и экономическое значение.

В механическом отношении добыча — искусственное разрушение некоторой части массива горной породы. При добыче связных гор­ных пород происходит нарушение связей между частицами или зер­нами породы (интергранулярное разрушение), а также и самих зерен (интрагранулярное разрушение). Добыча сыпучих пород сводится к местному нарушению плотности массива и последующему отделению его части с разрушением или без разрушения зерен. В последующем имеется в виду добыча связных горных пород, представляющая по понятным причинам наибольший интерес.

Добываемость, или, точнее, степень добываемости, горных пород — большее или меньшее сопротивление, встречаемое при их добыче В этом смысле добываемость горной породы есть функция твердости, вязкости и упругости породы, ее сложения, строения и состояния, а также некоторых особых свойств породы.

iji j.

Это определение добываемости породы, являясь общим, не дает отчетливого критерия для оценки сопротивления породы при добыче. Ниже, в $ 105, формулировано другое определение добываемое™ горной породы. Там показано, что добываемоегь породы физичес­кая величина, имеющая для данной породы при определенных усло­виях определенное числовое значение.

Подбой и отбойка с помощью горных инструментов и машин, бу­рение и взрывание — наиболее часто применяемые на практике спосо­бы разрушения части массива горных пород в целях добычи. Отсю­да—применение соответствующих терминов: зарубаемость, отбойность, буримость, взрываемость. Эти термины по существу являются част­ными -значениями более общего термина „добываемость породы".

§ 102. Состояние вопроса

Неопределенность общей формулировки добываемости горных по­род, приведенной в § 101, послужила причиною тому, что для прак­тических приложений были предложены и предлагаются многочислен­ные классификации горных пород по добываемости.

В основу этих классификаций кладутся различные признаки: про­стейшие представления о крепких, средних и слабых породах (при субъективных оценках), сочетания физических свойств и сложения породы, крепость породы (Протодьяконов), число затупленных буров на 1 погонную единицу длины скважины (Шахтострой, Кузбасс, Су­ханов и др.), производительность бурения в погонных единицах длины скважины за час чистого времени работы (ЦНИГРИ и др.), вре­менное сопротивление породы раздавливанию (НКТП), расход энер­гии на бурение единицы объема породы, ударная проба и др.

Не входя в подробное рассмотрение этих классификаций, отме- Iим, что они отличаются или грубым эмпиризмом, или приданием без достаточных оснований решающего значения какому - либо од­ному свойству породы или признакам, содержанием которых являет­ся само по себе недостаточно определенным и т. д. Поэтому эти классификации не получили на практике широкого применения.

§ 103 Факторы разрушения горных пород

Разрушение юрной породы может быть естественным или искусст­венным- Первое происходит под влиянием естесственных факторов и обычно благоприятствует последующему искусственному разрушению— добыче. Подробное рассмотрение естественных факторов разруше­ния горных пород принадлежит соответствующим разделам геологии и выходит за рамки настоящей работы. Отметим здесь лишь такие дологические явления, как орогеническое и эпейрогеническое дви­жение земной коры, землетрясения и в особенности выветривание, которые приводят к разрушению горных пород или к значительным теформациям, связывающим остаточные напряжения.

К искусственным факторам разрушения горных пород относятся все средства горных работ. Они подразделяются на физические, химические и механические. К физическим средствам добычи отно­сятся: замораживание пород, нагревание их (огневой способ); к хи­мическим — растворение пород (выщелачивание), газификация (камен­ного угля) и, наконец, к механическим — применение горных инстру­ментов и машин, гидравлическая работа, действие взрыва (взрывные

"ИМ ¹ VI'

работы). Наибольшее применение имеют механические средства до­бычи, которые в дальнейшем и рассматриваются.

Воздействия на горную породу механических средств добычи име­ют целью создание в породе местных напряженных состояний, при­водящих к ее разрушению — добыче.

Эффект добычи в конечном счете принадлежит к экономической категории. Поэтому наиболее рациональными при определенных усло­виях должны считаться такие виды механических воздействий на по­роду, которые приводят к ее разр>шению в необходимом по усло­виям объеме в возможно короткий срок и при затрате минимальной механической работы.

Усилия, которые прикладываются к породе для добычи, по харак- Iеру своего действия могут быть: динамическими (ударными), стати­ческими, переменными и комбинированными. Применение каждого из этих видев усилий П(>и определенных условиях в большей или мень­шей степени отвечает указанным выше экономическим требованиям. При этом, конечно, важное значение приобретает соответствие ве­личины и характера действия прикладываемого \силия физико-ме­ханическим свойствам породы.

В принципе величина и характер действия усилия, прикладываемо- 1 о к породе в забое, должны отвечать тому из видов механическо- ю сопротивления, которое для данной породы является'наименьшим но сравнению с остальными видами сопротивлений.

Для горных пород вообще наименьшим является сопротивление на растяжение, затем следует сопротивление на сдвиг (скалывание) и, на­конец, наибольшим является сопротивление на сжатие. Разрушение горной породы растяжением по понятным причинам трудно осущест­вимо. Поэтому наибольшее применение для добычи имеют инструмен­ты и машины, действующие по принципам скалывания и сжатия. Пос­леднее при этом получается наиболее эффективным, если оно основа­но на клиновом действии — статическом или лучше динамическом. Это последнее широко осуществляется в современных горных инструмен­тах.

Ударному клиновому действию обычно сопутствует скалывание, на­пример, при у/'арно-вращательном бурении шпуров. Скалывание, как самостоятельный вид разрушения горной породы, осуществляется при работе цепными врубовыми машинами, а также при вращательном бу­рении шпуров и скважин.

Наиболее эффективным при соответствующих условиях является разрушение горной породы с помощью взрывных работ. Здесь исполь­зуются бризантное и метательное действие взрыва.

Наконец, при гидравлической работе используются удар и стати­ческое действие высоконапорной водяной струи.

Вообще добыча п( очных пород производится исключительно с по­мощью динамических усилий. К весьма слабым, в частности к рыхлым, породам достаточно приложения статических усилий.

§ 104. Добываемость горных пород

В § 16 твердость тела была определена выражением

н ^А

где А — работа, затраченная на образование новой поверхности AS со степенью измельчения ji. Назовем величину, обратную твердости, — добывав л остью породы.

Таким образом,

Но так как AS ^-l⁷, го

(1,104)

Добываемость имеет размерность см^кг-м и физически означает количество новой поверхности, возникшее при данном процессе раз­рушения породы (добычи) и приходящееся на единицу затраченной при этом работы.

Из определения следуеь что чем больше энергетическая сопро­тивляемость породы разрушению (твердость), тем меньше добывае­мость, и наоборот.

Если положить разрушаемый объем породы V равным единице, то по (1,104) получим:

т. е. добываемость является однозначной лишь при определенных значениях величин р и А и, конечно, при определенном процессе разрушения. Это обстоятельство в особенности следует иметь в ви­ду при оценке добываемости данной горной породы. Добываемость последней вообще различна при разных механических средствах воз­действия.

§ 105. Степень измельчения добытой породы

Степень измельчения (дисперсность) добытой породы была опре­делена выше как

Отсюда следует гакже, что

где G—вес кусков и частиц, 5 удельный вес породы.

Точное определение веса О или объема V не представляет труда. Более затруднительно точное определение поверхности S, так как куски и частицы имеют разнообразные форму и размеры.

Все существующие способы определения поверхности S сводятся к косвенным и непосредственным измерениям и являются в большей или меньшей степени приближенными.

Способы косвенных измерений основываются на измерении линей­ных размеров частиц при помощи ситового, шламмового и микроско­пического анализов. Если не требуется большая точность, то доста- !очно ограничиться одним ситовым анализом.

Непосредственные измерения поверхности 5 основываются на хи­мических реакциях (растворение), поверхностных явлениях (адсорб­ция) и др. Эти измерения требуют соответствующего оборудования и имеют ограниченное применение на практике.

Подробное рассмотрение указанных способов измерения"поверх­ности 5' выходит из рамок настоящей работы. Поэтому, имея в виду, что определение величины [3 должно производиться в условиях шахты, ограничимся простеишим, хотя и недостаточно точным, способом кос­венных измерений с помощь'о ситового анализа.

Крупность отдельных кусгц или частицы обычно оценивается ли­нейным размером (в мм). Каждая частица или кусок могут быть из­мерены по трем взаимноперпендикулярным направлениям: в длину — ширину — b и высоту—h. Тогда средний размер (диаметр) частицы может быть принят равным ширине ее, т. е. d₀ = b, или

> ____ b 1

«о— 2~~ '

или же

rf₀—VF7.

При ситовом анализе получаются классы частиц. Размер частиц каждого класса определяется двумя линейными размерами, которые отвечают размерам наиболее крупной (d') и наиболее мелкой (d") ча­стицы данного класса или, что почти одно и то же, размерам отвер­стий двух соседних сит.

Средний диаметр класса частиц будет при этом

или

d^dT-d" .

Кроме среднего диаметра, может быть вычислен эквивалентный гщаметр класса частиц d₃. При этом исходят из предположения, что все частицы данного класса имеют форму шара (куба) с одинаковым диаметром (длиною ребра) и что общии объем частиц V_k и число их k остаются без изменения.

В случае шара эквивалентный диаметр класса получается равным

4 = 1,24 У

и в случае куба —

Наконец, по данным ситового анализа может быть вычислен сред­невзвешенный диаметр d_CB нескольких классов или же всей добытой породы. Вычисление ведется по вёсу каждого класса О_и G₂₎ •••, G„, так как при ситовом анализе наиболее просто определяется именно вес.

Средневзвешенный диаметр смеси частиц получается равным

И _ Gi-^ + Ga-^a 1-------- \-G_n-d_n

^UcB +■.. +О_п '

где d_u d_l; ■■■ d_n — средние диаметры классов.

Допустим, что смесь частиц имеет ti классов с эквивалентными диаметрами шаровой формы частиц: d_lt d_it---d_n. Тогда при удельном весе 5 объемы час1иц каждого класса будут:

G\ G-i G„

8 > 8 "' 5

и число шаров в каждом классе —

6G) 6 0₂ 6 G_n

nbd\ ' t.ld\ ' "' '

Боковая поверхность их определяется соответственно равной 6 G; 60, 6 G_n

Sdj ' bd₂ ' " '' bd_a '

 

и дисперсность смеси будет

f

Если форма частиц не шаровая, а иная, то дисперсность смеси будет =

Числовые значения коэфициента k₀ определяются опытом. При кубической форме частиц k₀ = 1,0, для щебня угловатой формы k₀ = ==1,2—1,7, для песка в среднем k₀—\,22.

Возьмем куб с ребром d. Его боковая поверхность будет бd*. При разделении этого куба на кубики все меньших размеров общая боковая поверхность будет увеличиваться. Так при кубиках с длиною

ребра общая боковая поверхность всех кубиков составит 6nd^z,

в том числе новой поверхности будет 3(п — \ ) d².

В условиях забоя положение вещей обстоит несколько иначе. Допустим, что на некотором участке забоя вынимается объем по­роды по форме прямоугольного параллелепипеда. Пусть ширина такой заходки вдоль забоя — В, глубина— L и высота — Н. Таким образом, грань параллелепипеда В-Н представляется совмещенной с плоскостью забоя.

Для извлечения этого параллелепипеда нужно образовать не только его грани общей площадью

2LH-{- 2BL + HB,

но и соответствующие им плоскости забоя той же общей площади.

Таким образом, общая поверхность, на образование которой толжна быть затрачена некоторая работа, будет:

2(2LH+2BL-\-HB).

Эта поверхность по своей величине может быть приравнена боко­вой поверхности некоторого эквивалентного в этом отношении куба с ребром d₀. Таким образом

2 (2LH + 2BL + НВ) = Ы\,

откуда

yiL<fl+B> + HB ₍₁₁₀₅₎

Допустим, теперь, что но извлечении рассматриваемого параллеле­пипеда получилась смесь кусков и частиц со средневзвешенным диа­метром dcm причем

D —

^ись--- ,

где п— некоторое положительное число, большее единицы.

Считая, что куски и частицы имеют форму куба, общая боковая поверхность их составит 6nd\ или

S=2n (2LH+2BL -f НВ)

и искомая степень измельчения добытой породы будет

_й _ 2п (2LH 4- 2BL + НВ) ^Р ВЖ

или по упрощении

Р=-'я[2(тг + 4-) + Х|. ' (2,105)

Действительная форма кусков и частиц учитывается коэфициен- том k₀, и окончательно искомая степень измельчения добытой породы (дисперсность) будет:

^VP-

Понятно, что величина будет гем ближе к действительной, чем более узкая шкала классов берется при ситовом анализе и чем точ­нее будет взят коэфициент

Числовой пример

Штрек по углю имеет размеры вчерне- высоту И =2 м, ширину В = 2,5 м Глубина заходки £ = 1,5 м. При ситовом анализе угля, добытого с заходки, полу­чены следующие выходы классов 30% (50 200 мм), 20% (20—50 мм) и 50% (0—20 мм). Определить ji.

Средневзвешенный днаметр кусков рядового угля равен

, 30-125 + 20-35 + 50-10 - Ясв = iQQ- = 49,5 ММ,

где 125, 35 и 10 мм — средние диаметры классов. Диаметр куба, эквивалентного заходке, согласно формуле (1,105), будет.

^^2-1.5(2,0 + 2,5) + 2,0.ff_{a2 48<|>}

и отношение

„_ <*о _ 2.480Э_______ ₂

Согласно формуле (2,105) дисперсность добытого угля определяется равной

? = 2 • 50,2 [2 (gL + + = 254,4 ',

и «ели 6_е=1,3, го окончательно дисперсность будет'

1,3-254,4 = 330,7 м~\

§ 106. Работа разрушения породы

В формуле (1,104) работа разрушения""/! относится к объему по­роды V, доводимому до степени измельчения р в течение определен­ного промежутка времени. Эта работа осуществляется с помощью горных инструментов и машин, взрывчатых веществ или динамиче­ского действия водяной струи.

Выше указывалось, что добываемость разных пород может быть сравниваема между собою, если для разрушения (добычи) их применяет­ся один и тот же механический принцип. В этом отношении, например, кайловая ручная и механическая (с помощью отбойного молотка) ра­боты идентичны. Отдельно должны рассматриваться взрывные работы, так как здесь, разрушение породы производится ударной волной.

Числовые значения работы А следует брать по данным специаль­ных наблюдений и измерений. В простейшем случае можно ограни­читься данными справочников или даже каталогов. Так, например, прн работах вручную можно ориентироваться на среднего рабочего. При работах с помощью отбойных молотков, обычно пневматиче­ских, значения полезной работы удара и числа ударов за единицу времени следует принимать, вообще говоря, по данным испытаний молотков с учетом фактической величины давления сжатого воздуха. За отсутствием таких данных могут быть использованы справочники и т. д.

Определение действительной работы разрушения при взрыве заряда взрывчатого вещества в плотной среде представляет, как известно, особо сложную задачу. Решение последней может быть получено пока весьма приближенным, основанным на многих допущениях. По­этому определение действительной добываемости горной породы при взрошных работах является вообще весьма ненадежным в смысле по лучаемых результатов. Однако относительное значение добываемости горной породы при взрывных работах может быть установлено для практических целей достаточно точно 109).

Поиск по сайту: