Понятие о динамическом явлении в шахте

Внезапные выбросы угля, газа и породы, горные удары – дина- мические явления. Внешним отличительным признаком динамическо- го явления в шахте является его бурный характер: за малое время от- дельные элементы среды приобретают значительную скорость. При этом в кинетическую переходит потенциальная энергия среды: энергия упругих деформаций пород и угля, газа. Используемое на практике деление на горные удары и выбросы отвечают роли этих факторов в предельных случаях, когда скорость элементов среды определяется энергией упругих деформаций или энергией газа. В ряде случаев, ко- торые можно назвать промежуточными, важны оба источника энергии. Понятие о степени динамичности явления в известной степени субъективно и связано с его возможными последствиями. Так, движе- ние со скоростью, меньшей 1 м/с воспринимается как не слишком бы- строе. Скорость разлета 10 м/с представляется уже катастрофическим явлением. При такой скорости разлета куски размером 50-100 мм в поперечнике опасны для людей и механизмов, а мелкие частицы быст- ро "запечатывают" выработку. Распространение газа грозит отравле- нием даже при скорости 1 м/с по направлению вентиляционной струи, поскольку в шахтных условиях не всегда возможно движение даже со

скоростью пешехода (на крутых пластах).

Оценим энергию упругих деформаций угля, породы и давления газа. Для этого воспользуемся известными уравнениями.

Энергия упругих деформаций для единицы объема материала имеет порядок

o 2

Э = , (21.1)

где Е – модуль упругости: для угли Е=5·109Н/м2; для породы

Е=З·1010Н/м2;

o – напряжения сжатия.

Согласно расчету:

Показатель	При σ ,Н/м2
σ	1000·104	2000 104	4000·104	8000·104
Э угля, Н/м2
Э породы, Н/м2

Таким образом, при существующих на разрабатываемой глуби- не напряжениях ( с учетом концентрации напряжений) в породах и, особенно в угле концентрируются огромные напряжения, энергия. Для оценки энергии газа воспользуемся формулой

P V æ P ö

m -1 ù

o o êç1 ÷ m ú

Э = êç ÷

- 1ú, (21.2)

m -1 êèPоø ú

ë û

где Ро– атмосферное давление, 105 Н/м2;

Р1– давление газа в массиве; Vo=1 м3;

γ – показатель адиабаты, для метана равен 1,31.

При давлении равном 400·104Н/м2в массиве, Э=45·104Н/м2. Причем давление газа слабо сказывается на его энергии. Так, при дав- лении 100·104 Н/м2Э=25·104Н/м2. Содержание газа в 1 м3угля, кото- рый находятся в свободном состоянии, составляет 1–2м3/м3, тогда Э=(50-100)·104Н/м2в 1м3угля.

Приведенные оценки показывают, чтo в единице объема заклю- чены запасы энергии, достаточные для того, чтобы при умеренных затратах на необратимые деформации, процесс разрушения протекал как динамическое явление. Здесь следует добавить, что скорость раз- лета 4 м/с достигается при напряжениях в угле 35 МПа.

При реализации динамического явления существенное значение имеет механизм разрушения, поскольку от него зависят потери энер- гии. Для горных пород предел прочности на растяжение на порядок меньше предела прочности на сжатие, а энергия разрушения при раз- рыве как минимум на 2 порядка меньше, так как напряжение входит в формулу в квадрате. Поэтому, с энергетической точки зрения наиболее выгоден послойный отрыв газом частиц, когда затраты анергии на раз- рушение значительно меньше имеющихся запасов. Таким образом, рассмотрение динамических явлений в шахтах тесно связано с изуче- нием волн разрушения. Однако, прежде чем в материале начнет рас- пространяться волна разрушения, должно произойти ее инициирова- ние (развязывание).

Лекция 22