книги / Механика горных ударов и выбросов
..pdf
значительно большей инерцией, чем частицы газа. Отсюда же по нятны и недостатки рассматриваемой схемы — газ все же реаги рует на возмущения быстрее, чем твердая фаза, и принятое в схеме равенство фазовых скоростей не может выполняться при резких воздействиях на смесь. Тем не менее, будучи весьма простой и ка чественно отражая существенные стороны распространения смеси, •схема вполне приемлема для получения общего представления о движении и приближенных оценок, которые, несмотря на их очевидную грубость, полезны для практики. Этому также способ ствует тот факт, что выброс как источник движения характеризу ется параметрами, близкими к обычным параметрам вентилятора главного проветривания шахты. Таким образом, имеется возмож ность, с одной стороны, использовать хорошо разработанный ап парат газодинамики, а с другой — применять известные приемы расчета шахтных вентиляционных сетей.
В настоящее время намечается интенсивное развитие этого перспективного направления в связи с разработкой мер по ограни чению интенсивности и вредных последствий выбросов. Его эффек тивность, несомненно, будет повышена при сочетании аналитиче ских методов с шахтными экспериментами и лабораторным моде лированием движения смеси газа и частиц по разветвляющимся каналам, ее взаимодействия с преградами и воздушными потока ми. При Этом даже из простейших вариантов теории — типа рас смотренного выше — следуют параметры подобия, полезные при выполнении опытов на моделях.
Смесь газа и частиц, воздействуя на воздух в выработке, по рождает ударную воздушную волну. Изучение ее осуществляется традиционными методами. Из условия непрерывности скоростей смеси и воздуха на их границе нетрудно получить, что ударная воздушная волна относится к классу слабых, распространяется со скоростью, практически равной скорости звука в воздухе, и скачок давления на ее фронте Ар удовлетворяет равенству
& Р=Ра*«Е^ !, |
(7.26) |
где ха— показатель адиабаты воздуха |
(ха=1,4); v — скорость |
смеси газа и частиц на границе с воздухом; va— скорость движе ния воздуха в вентиляционной струе (va> 0 , если струя движется навстречу смеси, и va<.0 в противном случае); са— скорость звука в воздухе (са= 342 м/с).
Из (7.26) следует, что даже при очень благоприятных условиях (v=50 м/с, va= 0) скачок давления не превышает 0,020 МПа.
Для того чтобы не допустить распространения ударной волны, достаточно поставить на ее пути преграду, выдерживающую на грузку 2Ар (при отражении слабой ударной волны скачок давле ния удваивается). Такое давление способны выдерживать сравни тельно тонкие щиты, если их подкреплять ребрами жесткости или упорами, исключающими возникновение больших изгибающих мо ментов. Поскольку на границе смеси и воздуха давление остается
266
можны выбросы. Они не происходят, если любое из них нарушает ся. Отсюда понятно, что для исключения возможности выбросов имеется довольно широкий выбор направлений воздействия на пласты. Во-первых, можно снижать энергию до безопасного уров ня; во-вторых, можно добиваться, чтобы не' выполнялись силовые условия отделения частиц; в-третьих, можно просто организовать работы так, чтобы исключались резкие внедрения в зоны, где вы полняются энергетические и силовые условия.
Технические реализации этих трех групп условий обеспечиваю щих отсутствие ' выбросов, могут быть весьма разнообразными. Нередко они оказываются комплексными, т. е. сказываются сразу на двух или всех трех группах условий. Так, предварительная де газация угольного пласта перед вскрытием способствует снижению энергетических и силовых показателей в зоне предстоящего вне дрения, т. е. влияет на все три группы условий; защитная выемка с предварительной искусственной дегазацией снижает газовое и горное давление перед забоем на подзащитном пласте, что сущест венно влияет на силовые условия * и т. д.
Критерии опасности и безопасности по газовому фактору. Да же вовсе не привлекая математической теории, нетрудно видеть, что выброс невозможен, если давление газа в пласте ниже некото рого критического уровня pk. Любое давление, не превышающее pk, является безопасным. Существование критического уровня лег ко понять, если учесть, что в пределе им может быть атмосферное давление, снижение давления газа до этого значения, безусловно, обеспечивает безопасность **. Ясно, что и несколько большие дав ления также безопасны. Критическое значение pk представляет верхнюю границу безопасных давлений. Она может устанавливать ся непосредственно по данным шахтного опыта на основе статисти ки выбросов. Если ниже некоторого уровня выбросов не наблюдает ся, а выше него они происходят, то этот уровень является критиче ским. Такая возможность нахождения ри широко используется на практике. Так, для угля безопасным зачастую считается давление пять атмосфер, а для песчаников — тридцать атмосфер.
По сути, подобный подход эмпирически отражает энергетиче ские и силовые условия невозможности выбросов. Он имеет су щественные достоинства, поскольку основывается на самих фактах
* В [44] отмечено, что если при защитной выемке отсутствует предвари тельная дегазация защищаемого пласта, то в нем в некоторых случаях воз можно увеличение энергетических показателей из-за возрастания доли свобод ной* газа. Однако силовые условия испытывают при разгрузке гораздо боль шее влияние и отделение частиц на подзащитном пласте затрудняется. По скольку нарушение любого из условий выброса ликвидирует опасность, за щитная выемка оказывается эффективной и при отсутствия предварительной дегазации. Все же, учитывая полезность этого мероприятия с точки зрения борьбы с газом и повышения надежности защиты, целесообразно попользовать предварительную дегазацию разгруженных зон во всех случаях, когда для это
го имеется возможность.
** Здесь не рассматриваются явления типа высыпаний угля, могущих про исходить и без всякого участия газа. Речь идет о собственно выбросах, для которых газ представляет источник силы и энергии.
нимальном газосодержании углей, при котором возможны выбро сы. Оно составляет 6 м3 на 1 т горючей массы. Такому газосодержанию на практике отвечают давления газа, не превышающие 5 МПа, т. е. минимальным значением рд можно считать 0,5 МПа. Это значение находится в хорошем согласии с приводившимися оценками минимального критического давления для наиболее сла бых углей.
Остановимся на практическом смысле этих оценок минималь ного газового давления рд. Конечно, возможны отдельные случаи особо малопрочных углей, для которых критическое давление рд в соответствии с формулой (7.28) или данными рис. 71 оказывает ся ниже, чем 0,5 МПа (например, составляет 0,4 МПа). Эти ис ключительные случаи служат иногда поводами для бесплодной полемики о том, какое давление газа является критическим. По нятно, что вне связи с прочностью материала дать универсальный ответ на этот вопрос невозможно. Если же по практическим сооб ражениям приходится все же назначать рд вне связи с прочностью, то требуется выбирать между ориентацией на самые худшие усло вия, когда-либо встречавшиеся в мировой практике, и выбором рд из средних данных о минимальных давлениях для основного боль шинства пластов, в которых происходили выбросы. Ясно, что пер вый путь будучи надежнее, гораздо менее экономичен, так как в большинстве случаев существенно занижает рд. Естественно, что второй путь практичнее, и ему отдают предпочтение. Тем не ме нее, используя его, целесообразно предусматривать поверочный контроль за наличием аномально (даже для выбросоопасных углей) слабых участков (с коэффициентом крепости ниже 0,3 по шкале проф. М. М. Протодьяконова). Кроме того, понятно, что по добное решение вопроса существенно зависит от вида технологиче ской операции, поскольку статистические данные, степень риска, последствия выброса, возможности его локализации и экономиче ские соображения существенно влияют на принятие решения о на значении рд. Если, например, имеется экономически оправданная возможность полностью предотвратить вредные последствия вы броса в случае, если он произойдет (в частности, при вскрытии пла ста) , то рационально несколько увеличить рд. В сущности, при этом допускается вероятность выбросов, пропорциональная доле пла стов с прочностью, меньшей той, которая отвечает принятому зна чению рд. Все же, учитывая высокий уровень решения проблемы выбросов и успехи, достигнутые в экспериментальном изучении критических сочетаний давления и прочности [59], предпочти тельным представляется непосредственный учет прочности угля при выборе критического давления с помощью формул типа (7.28).
В некоторых случаях выполнения (7.29), (7.30) можно достичь во всей области ведения работ. Так, например, при отработке за щитных пластов подработанные и отчасти надработаниые породы около защитной выработки дегазируются. Для близлежащих пла стов выполняются условия (7.29), (7.30), и они навсегда теряют способность к выбросам. Подобный эффект может достигаться и