Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений

Приведено результати досліджень поведінки вугілля та вміщуючих порід пласта l₁ в об'ємному полі стискуючих напружень. Показано, що в максимумі опарного тиску за деформацією пласта 10...20%, відбувається критичний структурно-фазовий перехід зі збільшенням об’єму. Це явище супроводжується ударною...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2005
Main Authors:	Рязанцев, Н.А., Рязанцева, Н.А., Лобков, Н.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2005
Series:	Физико-технические проблемы горного производства
Subjects:	Физика угля и горных пород
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/190007
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений / Н.А. Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.И. Лобков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2005. — Вип. 8. — С. 51-63. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-190007
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1900072025-02-23T17:14:47Z Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений Physicomechanical properties of coal and containing rocks of the stratum l₁ of mine named after A.G. Stakhanov in view of display of the geodynamic phenomena Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.А. Лобков, Н.И. Физика угля и горных пород Приведено результати досліджень поведінки вугілля та вміщуючих порід пласта l₁ в об'ємному полі стискуючих напружень. Показано, що в максимумі опарного тиску за деформацією пласта 10...20%, відбувається критичний структурно-фазовий перехід зі збільшенням об’єму. Це явище супроводжується ударною хвилею та спонтаннім руйнуванням вугілля. Results of researches of behavior of coal and containing rocks of a stratum l₁ in a volumetric field of compressing pressure are resulted. It is shown that in a peak of basic pressure at deformation of a stratum 10...20 % occur critical structural -phase transition to increase in volume. This phenomenon is accompanied by an elastic wave and spontaneous destruction of coal. 2005 Article Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений / Н.А. Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.И. Лобков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2005. — Вип. 8. — С. 51-63. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2664-1771 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/190007 622.273.01 ru Физико-технические проблемы горного производства application/pdf Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика угля и горных пород Физика угля и горных пород
spellingShingle	Физика угля и горных пород Физика угля и горных пород Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.А. Лобков, Н.И. Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений Физико-технические проблемы горного производства
description	Приведено результати досліджень поведінки вугілля та вміщуючих порід пласта l₁ в об'ємному полі стискуючих напружень. Показано, що в максимумі опарного тиску за деформацією пласта 10...20%, відбувається критичний структурно-фазовий перехід зі збільшенням об’єму. Це явище супроводжується ударною хвилею та спонтаннім руйнуванням вугілля.
format	Article
author	Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.А. Лобков, Н.И.
author_facet	Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.А. Лобков, Н.И.
author_sort	Рязанцев, Н.А.
title	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений
title_short	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений
title_full	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений
title_fullStr	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений
title_full_unstemmed	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений
title_sort	физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. а.г. стаханова в свете проявления геодинамических явлений
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Физика угля и горных пород
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/190007
citation_txt	Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений / Н.А. Рязанцев, Н.А. Рязанцева, Н.И. Лобков // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2005. — Вип. 8. — С. 51-63. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT râzancevna fizikomehaničeskiesvojstvauglâivmeŝaûŝihporodplastal1šahtyimagstahanovavsveteproâvleniâgeodinamičeskihâvlenij AT râzancevana fizikomehaničeskiesvojstvauglâivmeŝaûŝihporodplastal1šahtyimagstahanovavsveteproâvleniâgeodinamičeskihâvlenij AT lobkovni fizikomehaničeskiesvojstvauglâivmeŝaûŝihporodplastal1šahtyimagstahanovavsveteproâvleniâgeodinamičeskihâvlenij AT râzancevna physicomechanicalpropertiesofcoalandcontainingrocksofthestratuml1ofminenamedafteragstakhanovinviewofdisplayofthegeodynamicphenomena AT râzancevana physicomechanicalpropertiesofcoalandcontainingrocksofthestratuml1ofminenamedafteragstakhanovinviewofdisplayofthegeodynamicphenomena AT lobkovni physicomechanicalpropertiesofcoalandcontainingrocksofthestratuml1ofminenamedafteragstakhanovinviewofdisplayofthegeodynamicphenomena
first_indexed	2025-11-24T03:03:15Z
last_indexed	2025-11-24T03:03:15Z
_version_	1849639195581087744
fulltext	N (Ж: 622.273.01 Физика угля и горных пород ФП 1И К О -М ЕХ А Н И Ч ЕС К И Е С В О Й С Т В А У ГЛ Я И В М Е Щ А Ю Щ И Х П О РОД П Л А С ТА и Ш АХТЫ И М . А.Г. С ТА Х А Н О ВА В С ВЕТЕ П РО Я В Л Е Н И Я Г Е О Д И Н А М И Ч Е С К И Х Я В Л Е Н И Й к .\|.и Рязанцев И.А . (777 "Красноармейскуголь"), инж. Рязанцева Н .А., к. 1.н. Л обков Н.И . (ИФГП НАН Украины) Приведено результата дослФжень поведшки вугиля та вмщуючих пор1д шшспш / ; в об'емному пол\ стискуючих напружень. Показано, що в максимум/ опорного тискуза деформац1ею пласта 10...20%, в:дбуваеться критичный стру- ктурно-фазовгш перехгд з; збиьшенням об'ему. Це явище супроводжуеться уда рною хвилею та спонтанным руйнуванням вуггпля. РНУ81СОМЕСНА1М1САЕ РКО РЕКТ1Е8 О Г С О А Е А1ЧБ С01ЧТАШИЧС К О С К 8 О Г Т Н Е 8ТКАТ1ЛЧ Ь, О Г М Ж Е 1Т. А.С.8ТАКНАГЧОУ Ж У 1 Е \\ О Г 018Р Ь А У ОГ ТН Е СЕГЮ УХАМ 1С РНЕ1ЧОМЕ1ЧА К) :./.ап1сеу ]Ч.А., МуахаЫсеуа ГЧ.А., ЕоЬкоу N.1. Кезикз о/гезеа гск ез о / ЬеИаУ1оиг о / соа1 апд соп1атт§ госкз о /а з!га1ит н т н уо!ите1г1сфеЫ о/сотргеззтр, ргеззиге аге гезикеЛ. I I13 зИом'п. 1Иа1 :п а щ'дие о/ ЬОзчс ргеззиге а1 ке/огтадоп о /а з1га1ит 10 ... 20 % оссиг сг/кса! з!гис1ига! - />/мле 1гапзШоп Iо тсгеазе к\ уо!ите. Тки кепотепоп Iз ассотратей Ьу ап е!азкс ичп’е апк зропШпеоиз Аез/гисНоп о/соа1. За 30 лет эксплуатации шахты им. А.Г. Стаханова при проведении полевых и пластовых (по пласту //) выработок зафиксированы многочис- Л1 иные выбросы в песчанике 7 /5 /;. Динамических явлений по углю не от мечалось. Однако, в 2003 году во 2-й лаве центрального бремсберга пласта /, в зоне приближения песчаника к пласту было зафиксировано несколько аномальных геодинамических явлений, квалифицированных как внезапные выдавливания пласта. Измерениями, проведенными в лаборатории МакНИИ методом тол чения, установлено, что коэффициент крепости выдавленного массива угля , оставляет 1,06., вне зоны выдавливания - 1,29. Поверхностная прочность у\| "я, измеренная прочностномером П-1, составила 80 у.е., прочность угля на одноосное сжатие — 15-20 МПа. Имеются многочисленные данные по определению прочности на одноосное сжатие и растяжение вмещающих пород пласта и песчаника 7/5/у. Однако, все имеющиеся данные не отра жают особенностей поведения угля и пород в массиве, так как угольный пласт и вмещающие породы находятся в объемном напряженном состоянии В связи с вышеуказанным, возникает определенный научный и прак- шческий интерес к исследованиям поведения угля и вмещающих пород пласта I/ в объемном поле сжимающих напряжений. Возможно получен 51 ные данные помогут отыскать причины возникновения аномальных геоди- намичсских явлений при ведении горных работ в этой лаве. П оведение угля н вм ещ аю щ их пород в объемном поле сж им аю щ их напряжений Испытания угля и вмещающих пород, проведенные на установке не равнокомпонентного трехосного сжатия конструкции ДонФТЙ НАНУ, по казали, что отличительной особенностью угля пласта I, является его вяз кость, пластичность и значительная остаточная прочность. И на кромке забоя, когда минимальное сжимающее напряжение ^ = 0, и в глубине мас сива, когда аз = 10; 20 МПа, предельные деформации достигают 10-13% (рис.1). На диаграммах отчетливо видны зоны пластического упрочнения угля, а хрупкость разрушения (о которой косвенно можно судить по кру тизне ниспадающей ветви диаграмм в области разупрочнения, т.е. по вели чине модуля спада), возрастает при переходе от обобщ енного растяжения (у груди забоя) в область обобщ енного сдвига (в глубине массива, когда а2 = (а ,+ а3)! 2. Физика угля и горных пород М а кси м а л ьна я де ф ерм ация ^^пром.напр /мин.напр.=0/0 ----- 6/0 — 2/0 ----- 8/0 — 11/10 — 15/10 — ■голо ----- 25/10 -----27/10 - —22/20 -----32/20 ----- 37/20 -----42/20 ----- 54/20 Рис. 1. Поведение угля при различных величинах минимального а3 и про межуточного напряжения а2. Несущая способность угля с ростом бокового давления существенно возрастает. Если при одноосном сжатии, когда а ,> а 2-О з=0, прочность со ставляет 15 МПа, то на глубинах более 800 м в глубине массива, где а,> а2- а 3>20 МПа, она увеличивается на порядок, достигая 150 МПа и более (рис.2). Максимальная несущая способность угля наблюдается при обобщ ен ном сдвиге, а минимальная - в области между сжатием и сдвигом (рис.З). 52 Физика угля и горных пород П араметр вида д е ф о рм ац ио нн ого состояния • Пре де лыч ая прочн ость угля "и"" П редельная пр очно сть песчаника — Пре дельная прочн о сть глин истого сланца — — М о д ул ь с па да угля " М одуль с па да песчаника Гис. 2. Зависимость прочности угля и вмещающих пород от величины бо кового давления ап. Боковое вовление, МГЬ — -Угог ь_________ 11ест;иии------------------- -----1 л- слонса Рис. 3. Зависимость прочности угля и вмещающих пород ег; от параметра вида деформационного состояния при о>= 20 М] 1а. Пластичность угля характеризуется величиной октаэдрической сдви говой деформации. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что эта величина в начале микроразрушения (дилатансии) и макроразру- шемием существенно отличается. Лишь при сг„= 0; 12 и 24 МПа начало ди- 53 латансии практически совпадает с макроразрушением (разрушение хруп кое при достижении предела сжимаемости). Во всех остальных случаях от микроразрушения до макроразрушения уголь способен выдержать степень деформации до 15%. Кривые зависимости сдвиговой деформации на пределе сжимаемо сти и на пределе несущей способности от бокового давления находятся в противофазе и как бы зеркально отображают друг друга (рис.4). Физика угля и горных пород О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Б о к о в о е д а в л е н и е _ МПа \| * П о л на я с д в и го в а я д е ф о р м а ц и я ^ -■»**"■»П р е д е л ь н а я с д в и го в а я д е ф о р м а ц и я .\|И1~\| Рис 4. Зависимость деформации сдвига угля у от величины бокового дав ления о,). Примерно такая же картина наблюдается и в зависимости сдвиговой деформации от вида деформационного состояния. Если сдвиговую деф ор мацию на пределе сжимаемости отождествить с упругой деформацией сдвига, тогда существует следующая закономерность: чем меньше величи на упругой деформации, тем больше разрушающая деформация и, наобо рот, чем больше упругая, тем меньше разрушающая (Рис.5). Такая зависимость неизбежно сказывается на энергоемкости разру шения угля. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что энер гоемкость разрушения угля изменяется периодически в зависимости от ви да деформационного состояния, при этом максимумы энергоемкости на блюдаются при обобщенном сдвиге (ре = 0) и между сдвигом и растяжени ем (рс = 0,5), а минимумы - при р е = -0,25 и +0,25. Кривые зависимости предельной и полной энергоемкости разрушения практически идеально подобны. Учитывая, что разница между ними - суть энергоемкость дроб ления, следует отметить следующ ую закономерность: в глубине массива при од > 10 МПа энергоемкость дробления угля величина постоянная, не зависит от вида деформационного состояния и составляет 1,5 МДж/ь . На кромке забоя энергоемкость дробления при растяжении меньше, чем при сдвиге и сжатии и не превышает 0,5 М Дж'м3 (рис.6). 54 Физика угля и горных пород П арам етр в ц ц а д е ф о р м а ц и о н н о го с о сто я н и я — —Полная деформация угля — Предельная угля —^-Полная деформация песчаника Предельная песчаника — Полная деформация гл.сланца — —Предельная гл.сланца РЯС 5. Зависимость сдвиговой деформации угля и вмещающих пород у от параметра вида деформационного состояния р е при ® = 20МПа. Параметр Еида де ф орм ационного состояния т о гъ .п о п н . —• — уголь, пр е д . — — п е с ч а н и кл о л н . есчаник, пре д. гл с л з н е ц . п о л и . 1 ■ 1 гл .с л а н е ц п р е д . Р ис. 6. Зависимость полной Ап и предельной энергоемкости Апр разруше ния угля и песчаника от параметра вида деформационного состояния р е при <т3 = 20 МПа. 55 Поведение глинистого сланца и песчаника в объемном поле сж и мающих напряжений существенно отличается от поведения угля. Прочность глинистого сланца с ростом бокового давления нарастает не так интенсивно и, при давлениях, соответствующих глубинам 200-600 м, оказывается даже меньше, чем прочность угля. Прочность песчаника с ростом бокового давления также возрастает не более чем в 3-4 раза, при чем при давлениях 11, 23 и 36 МПа (соответствующие глубинам 450, 900 и 1450 м) наблюдаются аномально низкие значения прочности песчаника (рис.2). При смене вида деформационного состояния прочность и глинистого сланца, и песчаника изменяется периодически, однако при одних и тех же напряжениях характер деформирования, разрушения и изменения прочно сти пород существенно отличается. Так. в глинистом сланце реализуется, в основном, разрушение по механизму отрыва со сдвигом, предельная сдви говая деформация не превышает 10%. Причем, в области обобщ енного сдвига (в глубине массива) прочность сланца оказывается меньше, чем уг ля. Разрушение глинистого сланца происходит практически без изменения объема (дилагансия не превышает 1%), а разрушение имеет вязкий харак тер (модуль спада практически равен нулю). В песчанике разрушение идет по механизму сдвига со сжатием, ди- латансия достигает 6%, а модуль спада в области обобщ енного сжатия очень высок, разрушение хрупкое. В области же обобщ енного сдвига мо дуль спада песчаника меньше, чем угля, г.е. разрушение угля более хруп кое (рис 3). Следует также отметить, что дилатансия угля не превышает 2%, причем максимум наблюдается при обобщенном сдвиге. Это связано с тем, что из-за значительной внутренней пористости угля, разрушение его про исходит в основном за счет схлопывания пор и трещин (рис.7), после чего деформация выравнивается по всему объему и разрушение происходит в плоскости действия максимальных сдвиговых деформаций. В неоднород ном горном массиве, когда имеется граница раздела «уголь-песчаник», плоскостям сдвига и трещинам, образовавшимся в угле, энергетически не выгодно пересечь эту границу, и они развиваются параллельно границе раздела. Именно этим объясняется препарация угля вблизи песчаника кровли и почвы при внезапных выдвиганиях пласта. Отсутствие существенного увеличения объема угля свидетельствует о том, что деформации сжатия со стороны максимального и промежуточ ного напряжений компенсируются деформациями растяжения в сторону минимального сжимающего напряжения (в сторону груди забоя) за счет течения без разрыва сплошности пласта, а коэффициент бокового распора близок к единице ( \| е1 \ ~ \ е3 \| ). Следует отметить, что разрушение угля при о3 >20 МПа сопровожда ется спадом нагрузки на 15-17% без изменения объема, а затем идет уменьшение объема (уплотнение угля) за счет схлопывания пор с нараста нием несущей способности. Физика угля и горных пород 56 Физика угля и горных пород 6 Рмс. 7. Спад несущей способности угля при схлопывании пор вблизи кромки забоя, когда минимальное напряжение а3< 10 МПа. Таким образом, на глубинах порядка 900 м, соответствующих распо ложению вентиляционного штрека 2-й лавы центрального бремсберга пла ста 1ь наименьшую прочность в объемном поле сжимающих напряжений в области обобщенного сдвига имеет глинистый сланец. При мощности более 0,05 м, разрушаясь, он выполняет роль демпфера между песчаником и уг лем, реализуя запасы потенциальной энергии в виде пластического течения. При мощности менее 0,05м и больших скоростях нагружения, гли нистый сланец разрушается вместе с верхней частью угольного пласта взрывоподобно, образуя тонкодисперсный порошок типа инертной пыли. Угольный пласт, при этом, имеет наибольшую хрупкость разруше ния без увеличения объема, после чего начинает уплотняться за счет охло пывания пор. Коэффициент бокового распора не превышает единицы, по этому объяснить значительные (до 1 м) выдвигания пласта с точки зрения механики разрушения практически невозможно. Как правило, деформации не превышают 15-20%. Вместе с тем, наблюдаемые при динамических явлениях процессы интенсивного энерго- и массопереноса требуют объяснения. Волновые процессы при динамических явлениях Современной науке известен лишь один способ распространения ме ханической энергии в веществе - перенос ее бегущими деформационными волнами, распространяющимися от места приложения механической на грузки. Различные природные и технологические процессы, воздействуя на породный массив, вызывают в породных слоях собственные и вынужден ные колебания с частотами, зависящими от мощности породных слоев [2]: 57 Л = Уа)'/т ; где Уст - скорость сдвиговых волн, м/сек. т - мощность слоя, м. Частота собственных колебаний многослоевой структуры соответст вует мощности этой структуры, равной сумме мощностей слагающих слоев: Хо ̂Г.Ь, /У /4 , . Собственные упругие колебания распространяются вдоль поверхно стей напластования, затухают мало и в соседние слои не проникают Д е формационные волны, распространяющиеся перпендикулярно напластова нию, затухают в многослоевой структуре более значительно, чем в одно родной сплошной среде. При прохождении п слоев, коэффициент ослаб ления волны существенно возрастает [3]. При п = 2; 3; 4; 5; ка= 2-2,6; 2,7-4; 4-6,8; 5,6-11. При переходе через границу раздела слоев меняются величины смещений, скорости смещений и энергии волны. Кроме основной волны, возникает ряд вторичных волн, обусловленных многократным отражением и преломлением. При этом деформационные волны сжатия-растяжения и сдвиговые волны распространяются независимо. Сдвиговые волны горизон тальной и вертикальной поляризации также распространяются независимо. При нормальном падении на границу раздела, а также при скользя щем падении, происходит полное отражение как сдвиговых (поперечных) волн, так и волн сжатия-растяжения (продольных) без их трансформации (со скачком фазы на ж). В других случаях происходит трансформация волн. При переходе волны из слоя с меньшей скоростью звука, в слой с большей скоростью, возможно явление полного внутреннего отражения (при углах падения 60-70°, угол преломления равен 90 ). Поэтому уголь ный пласт, заключенный между двумя высокоскоростными слоями песча ников, становится волноводом (волна, войдя в такой слой, выйти из него не может). Происходит концентрация энергии в пласте (самонакачка). Сами по себе свободные и вынужденные колебания - суть стоячие волны. В стоячих волнах энергия колебаний не распространяется в про странстве, а дважды за период переходит полностью в кинетическую, а за тем в потенциальную. В результате взаимодействия с границами раздела, появляется и бегущая волна. При отражении волны от границы раздела с меньшей акустической жесткостью, волна сжатия трансформируется в волну растяжения (проти вофазное отражение), при этом отражается около 80% энергии и амплиту да волны резко снижается. Таким образом, в результате отражения про дольных волн, в угольном пласте, зажатом между двумя песчаниками, воз никают локализованные зоны сжатия, приуроченные в вертикальном на- Физика угля и горных пород 58 п р .тлении к середине пласта. На границах раздела «уголь-кровля» и ноль-почва» деформации сжатия равны нулю. Расстояние между макси мумами деформаций сжатия вдоль напластования равно половине длины шипи I. Преломленная волна, имея ту же фазу, распространяется вдоль гра ции раздела «уголь-кровля» и «уголь-почва» единым цугом со скоростью распространения сдвиговых волн в песчанике. При этом, амплитуда коле- Гынмй Г-компоненты (в сторону забоя по простиранию) в угле вблизи гра ницы раздела на порядок больше, чем в песчанике. Таким образом, созда- ют< я предпосылки для каналирования энергии [4]. Сигнал Г- компоненты имеет достаточно простую конфигурацию. 11срвый пакет низкочастотный (—] 10 Гц), образуется волнами сдвига и все- ща доминирует. Его частота зависит от соотношения скоростей попереч ных волн угля и песчаника. Второй пакет, чаще всего, каналовая волна с частотой практически не зависящей от параметров угля и породы (470-500 \| ц). Амплитуда сдвиговых колебаний зависит от резкости акустических I раниц. Чем резче граница, тем больше вклад боковых волн сдвига. Для А'-компоненты (по падению) боковые волны сжатия имеют час- югу 45-80 Гц, при этом, зависимость частоты от параметпюв угля и пород отсутствует. Сдвиговые волны более высокочастотные (130-140 Гц) и их частота зависит от соотношения скоростей поперечных волн. Каналовая полна имеет величину не более 5% от амплитуды падающей волны, ее час- юта 480-500 Гц. Для 2-компоненты (вертикальная) боковые волны сжатия имеют частоту 60-100 Гц, боковые волны сдви га-1 8 0 -2 1 0 Гц, каналовые волны - 550-580 Гц, а их амплитуда составляет 20-60% от амплитуды падающей полны. Таким образом, колебания X- и 2-компонент состоят из боковых волн сжатия и сдвига, пакетов, образуемых ими в результате резонанса и Качало вых волн. Волны сжатия имеют частоту до 100 Гц, сдвига — до 300 Гц. Г-компонента состоит из боковых волн сдвига, пакетов и каналовых волн. В сдвиговых (поперечных) волнах участки максимальных смещений не совпадают с участками их максимальных относительных деформаций (фазы отличаются на четверть периода во времени, а в пространстве - на половину длины стоячей волны или на четверть длины бегущей волны). 11оэтому в стоячей волне узлы абсолютных деформаций совпадают с пуч ностями напряжений и наоборот. Исследования показывают, что при нанесении удара по поверхности многослоевой структуры, распространение колебаний идет вдоль слоев- резонаторов без просачивания волн в соседствующ ие с ней структмры. <Ьи- шческие свойства слоев-резонаторов таковы, что границы между ними представляют собой поверхности, по которым возможно взаимное поо- скальзывание слоев относительно друг друга и расслоение. В пределах Физика угля и горных пород 59 слоя колебания распространяются прямолинейно во все стороны от источ ника и отражаются от границ этого слоя [2]. Плотность потенциальной энергии, накопленной в пласте, составляет: Е„ = ‘А р о2 е2 ; где р — плотность угля (породы); V - фазовая скорость волны в угле (породе); е - относительная деформация пласта. Плотность кинетической энергии: ЕЙ = % р о ,2 ; где V/ - скорость частиц, совершающих колебания в рассматриваемой точке. Таким образом, скорость смещения частиц зависит от величины са мой деформации. При синфазном отражении волн, происходит локализа ция деформации, величина ее достигает десятков и сотен процентов. В си лу дискретности (квантованное™) деформаций [5], деформирование угля (и вмещающих пород) под нагрузкой имеет толчкообразный характер. Каждый такой толчок соответствует структурно-фазовому переходу, мик- рораэрущению и установлению нового равновесного состояния. При вели чине деформации, обусловливающей соизмеримость скорости смещения частиц и фазовой скорости волны, происходит критический структурно фазовый переход, сопровождающийся спонтанным разрушением угля (или породы) и возникает ударная волна. Фазовая скорость волны, как показы вают исследования, гораздо ниже скорости поперечных волн и составляет сотни метров в секунду, поэтому возникновение критических переходов возможно уже при степени деформации 10-20%. Ударная волна существенно отличается от упругой: скорость ее за висит от интенсивности; на фронте ударной волны параметры состояния и движения среды изменяются скачком; ударные волны сопровождаются пе ремещением среды в направлении распространения фронта возмущения; при образовании ударных волн энтропия среды возрастает. Характер разрушения угля и пород при динамических явлениях сви детельствует о том, что деформирование и разрушение имеет волновую природу и может быть объяснено только локализацией деформации. Для локализации деформации основное значение имеет перенаселение пород дислокациями и дисклинациями разного уровня и, как следствие, препара ция угля (породы). При наличии свободной поверхности и возможность развития сдвиговых деформаций, возникают явления отжима, выдвигания пласта и т.п. При запрещенном сдвиге, происходит накопление дисклина- ций (микровихрей), возникают ротационные явления с внезапным массо- и энергопереносом в сторону свободной поверхности (внезапные выбросы, горные удары, землетрясения и пр.). Физика угля и горных пород 60 Выброс - это вихрь в горном массиве, с быстрым (несколько се кунд) разрушением и массопереносом значительного объема горной поро- н.\| (угля). Внезапное выдавливание - локализация сдвиговой деформации у флпиц раздела слоев с проскальзыванием пласта в сторону свободной поверхности как единого целого. Горный массив имеет блочное, иерархическое строение, поэтому при некотором энергетическом уровне критическая амплитуда колебаний мо жет достигаться лишь в одном из блоков или подблоков, что обусловлива ем локальное проявление АГДЯ [6]. Ротационные и сдвиговые эффекты могут проявляться одновремен но, вызывая комбинированные явления. Так, во 2-й лаве центрального бремсберга пласта I/ наряду с препарацией угля вследствие локализации сдвиговой деформации у кровли и почвы (зона локализации порядка 1 см) и внезапного выдвигания пласта по ослабленным плоскостям, наблюдают ся и отдельные ротационные структуры в виде колбовидных (грушевид ных), щелевидных полостей у кровли и трубообразных полостей под углом ■15" к напластованию (рис. 8). Физика угля и горных пород /1 .12и Рис. 8. Характерные щели и полости в пласте / ; при динамических явле ниях во 2-й лаве центрального бремсберга шахты им. А.Г. Стаханова: а) I рубообразная полость под углом 45° и щели толщиной 1 см, забитые бу рой угольной пылью у кровли и почвы; видно выдвигание пласта на 0,4 м относительно подрубанной почвы; б) щелевидные полости у кровли и кол- бонидная полость с диаметром «горлышка» 100-120 мм, разорвавшая кор пус комбайна на две части. 61 Следует отметить, что внезапное увеличение объема с возникнове нием ударной волны происходит в результате не только структурно фазовых переходов второго рода в угольном веществе, но и в результате перехода кристаллогидратной воды, находящейся в угле, в свободную [7]. О наличии этого перехода свидетельствует появление свободной воды в ви де «испарины» на кровле и повышенная влажность выброшенного штыба. Выводы Исследование угля и вмещающих пород 2-й лавы центрального бремсберга пласта // шахты им. А.Г Стаханова в объемном поле сжи мающих напряжений показэпи, что при определенных условиях наиболее «слабым звеном» в породном массиве оказывается глинистый сланец, ко торый, деформируясь пластически, выступает в роли демпфера между уг лем и песчаником. В условиях деформированного состояния, соответствующего обоб щенному сдвигу, наиболее хрупко разрушается уголь. При этом разруше ние угля происходит за счет охлопывания пор и трещин без существенного увеличения объема. Величина деформации в сторону обнажения примерно равна величине вертикальной деформации, поэтому объяснить внезапные выдвигания пласта методами механики не удается. Процессы интенсивного энерго- и массопереноса при динамических явлениях могут бьпь объяснены с позиций распространения в горном мас сиве деформационных волн и «самонакачки» энергии в угольном пласте при взаимодействии волн с границами раздела. При достижении в пике опорного давления степени деформации 10- 20%, скорость смещения частиц в угольном пласте достигает фазовой ско рости волны и происходит критический структурно-фазовый переход с увеличением объема, сопровождающийся возникновением ударной волны и спонтанным разрушением угля. Вследствие локализации деформации возникает акустическое течение, сопровождаемое при затрудненном сдви ге ротационными эффектами (вихреобразованием). В силу дискретности деформаций ротационные и сдвиговые эффекты, которые часто проявля ются одновременно, приводят к возникновению различных аномальных гео- и газодинамических явлений. Заблаговременное прогнозирование указанных явлений практически невозможно, так как они формируются (возникаю-,) и протекаю-1- в течение очень короткого времени (порядка 2с). Говорить можно лишь о потенци альной опасности угольных и породных пластов к тем или иным геодина- мическим явлениям. Физика угля и горных пород 62 С П И С О К Л И ТЕ РА Т У РЫ I Алексеев А.Д., Ревва В.Н., Рязанцев Н.А. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. - Киев: Наукова думка, 1989. 168с. Андреев В.П., Гликман А.Г. Геоакустический метод выявления поверх ностей ослабленного механического контакта. - Уголь, 1985, № 9,- С.25- 29. 1 Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на уголь ный массив //под ред. Петросяна А.Э. - М.: Наука, 1985. - 184 с. •I Анцыферов А.В. Обобщенные характеристики волновых полей, форми руемых на угольных пластах Украины при применении сейсмоакусти- ческого прогноза условий залегания угпя Физико-техничесКие про блемы горного производства, ьып.6. -Донецк: ООО «Апекс», 2003. - С .105-115. Рязанцев Н.А. Явление квантования деформаций и возникновение д е формационных волн в твердых телах /Сб. трудов регион.конф. «Наука- жизнь-производство»,- Красноармейск: КФ ДонГТУ, 1996,- С.99-108. 6 Курленя М.В., Опарин В.И. О явлении знакопеременной реакции гор ных пооод на динамические воздействия. - ФТПРПИ, 1990, № 4,- С.З- 13. 7. 11осач А.К., Рязанцева Н.А., Бачурин Л.Л., Рязанцев Н.А. Распределение влаги в горном массиве и влияние горных работ на обводнение вырабо ток /Сб. трудов регион.конф. «Наука-жизнь-производство».- Красноар мейск: КФ ДонНТУ, 2001,- С.21 -26. Физика угля и горных пород 63

Физико-механические свойства угля и вмещающих пород пласта l₁ шахты им. А.Г. Стаханова в свете проявления геодинамических явлений

Institution

Similar Items