Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия

Розглянуто умови гідровіджиму при гідроімпульсної дії на вугільний пласт залежно від параметрів опору вугілля зсуву і глибини герметизації свердловини. Встановлено кути і коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя вугілля. Визначено граничні значення тиску нагнітання рідини у викидонебезпечн...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Геотехническая механика
Date:	2011
Main Authors:	Зберовский, В.В., Костандов, Ю.А., Локшина, Л.Я.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2011
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33576
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:	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский, Ю.А. Костандов, Л.Я. Локшина // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33576
record_format	dspace
spelling	Зберовский, В.В. Костандов, Ю.А. Локшина, Л.Я. 2012-05-28T17:07:53Z 2012-05-28T17:07:53Z 2011 Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский, Ю.А. Костандов, Л.Я. Локшина // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33576 622.831.322:532.528:53.081.7 Розглянуто умови гідровіджиму при гідроімпульсної дії на вугільний пласт залежно від параметрів опору вугілля зсуву і глибини герметизації свердловини. Встановлено кути і коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя вугілля. Визначено граничні значення тиску нагнітання рідини у викидонебезпечний вугільний пласт при гідроімпульсної дії на нього. The hydroquetch conditions at hydroimpulse action on a coal seam depending on parameters of coal resistance to shear and depths of wells sealing are surveyed. Angles and an external and internal friction factors of coal are established. Boundary values of a discharge pressure of a fluid in an outburst-prone coal seam at a hydroimpulse action on it are defined. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия The account internal and an external friction of coal at calculation of a hydroimpulse action parameters Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
spellingShingle	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия Зберовский, В.В. Костандов, Ю.А. Локшина, Л.Я.
title_short	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
title_full	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
title_fullStr	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
title_full_unstemmed	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
title_sort	учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия
author	Зберовский, В.В. Костандов, Ю.А. Локшина, Л.Я.
author_facet	Зберовский, В.В. Костандов, Ю.А. Локшина, Л.Я.
publishDate	2011
language	Russian
container_title	Геотехническая механика
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
format	Article
title_alt	The account internal and an external friction of coal at calculation of a hydroimpulse action parameters
description	Розглянуто умови гідровіджиму при гідроімпульсної дії на вугільний пласт залежно від параметрів опору вугілля зсуву і глибини герметизації свердловини. Встановлено кути і коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя вугілля. Визначено граничні значення тиску нагнітання рідини у викидонебезпечний вугільний пласт при гідроімпульсної дії на нього. The hydroquetch conditions at hydroimpulse action on a coal seam depending on parameters of coal resistance to shear and depths of wells sealing are surveyed. Angles and an external and internal friction factors of coal are established. Boundary values of a discharge pressure of a fluid in an outburst-prone coal seam at a hydroimpulse action on it are defined.
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33576
citation_txt	Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия / В.В. Зберовский, Ю.А. Костандов, Л.Я. Локшина // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 94. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT zberovskiivv učetvnutrennegoivnešnegotreniâuglâprirasčeteparametrovgidroimpulʹsnogovozdeistviâ AT kostandovûa učetvnutrennegoivnešnegotreniâuglâprirasčeteparametrovgidroimpulʹsnogovozdeistviâ AT lokšinalâ učetvnutrennegoivnešnegotreniâuglâprirasčeteparametrovgidroimpulʹsnogovozdeistviâ AT zberovskiivv theaccountinternalandanexternalfrictionofcoalatcalculationofahydroimpulseactionparameters AT kostandovûa theaccountinternalandanexternalfrictionofcoalatcalculationofahydroimpulseactionparameters AT lokšinalâ theaccountinternalandanexternalfrictionofcoalatcalculationofahydroimpulseactionparameters
first_indexed	2025-11-26T14:56:33Z
last_indexed	2025-11-26T14:56:33Z
_version_	1850625294884405248
fulltext	УДК 622.831.322:532.528:53.081.7 В.В. Зберовский, с. н. с. (ИГТМ), Ю.А. Костандов, в. н. с., Л.Я. Локшина, н. с. (ТНУ им. В.И. Вернадского) УЧЕТ ВНУТРЕННЕГО И ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ УГЛЯ ПРИ РАСЧЕТЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Розглянуто умови гідровіджиму при гідроімпульсної дії на вугільний пласт залежно від параметрів опору вугілля зсуву і глибини герметизації свердловини. Встановлено кути і коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя вугілля. Визначено граничні значення тиску нагнітання рідини у викидонебезпечний вугільний пласт при гідроімпульсної дії на нього. THE ACCOUNT INTERNAL AND AN EXTERNAL FRICTION OF COAL AT CALCULATION OF A HYDROIMPULSE ACTION PARAMETERS The hydroquetch conditions at hydroimpulse action on a coal seam depending on parameters of coal resistance to shear and depths of wells sealing are surveyed. Angles and an external and internal friction factors of coal are established. Boundary values of a discharge pressure of a fluid in an outburst-prone coal seam at a hydroimpulse action on it are defined. Решение задачи предельного состояния краевой части выбросоопасного угольного пласта до настоящего времени является актуальным и не имеет общепризнанного научно-обоснованного решения. Учитывая сложность структур угольных пластов, сформированных природой, и напряженно – де- формированного состояния (НДС) породного массива, выполнить моделиро- вание краевой части пласта в лабораторных условиях практически невозмож- но. Поэтому задача решается аналитическим путем. При этом в физической модели кроме НДС массива горных пород приходится учитывать зоны раз- грузки и повышенного горного давления, которые образуются впереди забоя выработки. Также необходимо иметь в виду, что при нагружении угольного пласта в нем первоначально проявляются пластические деформации, которые при потере сопротивляемости угля сдвигу приводят к его хрупкому разруше- нию. Еще более сложной является задача управления состоянием краевой части угольного пласта при нагнетании в него жидкости с целью предотвращения внезапных выбросов угля и газа. Это подтверждается опытом ведения горных работ, когда в условиях больших глубин гидрорыхление краевой части пласта не в полной мере обеспечивает безопасность ведения горных работ. А иногда при проведении подобных мероприятий происходят и газодинамические яв- ления. Основным недостатком этого способа является невозможность управ- ления процессом гидрорыхления при статическом нагнетании жидкости под давлением большим, чем давление гидроразрыва, по причине анизотропии свойств угольного пласта, его слоистости и трещиноватости. Поэтому при гидрорыхлении происходит либо прорыв жидкости по трещинам напластова- ния, либо гидроотжим пласта или одного из его прослоев. Исследованию этих процессов в условиях больших глубин до настоящего времени не уделялось должного внимания. С одной стороны, математическая модель равновесного состояния краевой части пласта дополняется новыми уравнениями с гидрав- лическими параметрами статического, гидродинамического или гидроим- пульсного режимов воздействия, что в значительной мере усложняет решение данной задачи. С другой стороны, имеется простое техническое решение – применение буровзрывных работ, что позволяет в сложных условиях решить вопрос безопасности ведения горных работ, но не обеспечивает требуемых темпов проведения выработок. Проведение горно-экспериментальных работ по гидроимпульсному воз- действию в забоях подготовительных выработок в качестве противовыброс- ного мероприятия позволило в значительной мере приблизиться к решению вышеотмеченной проблемы. Модель предельного состояния краевой части угольного пласта при им- пульсном нагнетании в него жидкости, предложенная в [1, 2], учитывает не только НДС углепородного массива и технологические параметры гидрорых- ления угольных пластов (рис. 1), но и физико-механические свойства угля. Рис. 1 – Схема краевой части угольного пласта при высоконапорном нагнетании в него жидкости На рисунке 1 приняты следующие обозначения: σ1 –горное давление; Р0 – давление жидкости на поверхности пласта; Рг – давление газа в пласте; Р1 – давление жидкости на кромке пласта; Рн – давление нагнетания жидкости; m – мощность пласта; F – силы трения; lф – фильтрационная камера; l – зона со- противления пласта; lг – глубина герметизации шпура; l0 – разрушенная часть кромки пласта. Согласно этой модели гидроотжим или его признаки могут проявиться при условии, если суммарное действие давления газа в угольном пласте и давления жидкости, создаваемого в фильтрационной камере, превысит соот- ветствующие составляющие горного давления и сопротивляемость угля сдви- гу. Последняя определяется силами внешнего и внутреннего трения, которые, в свою очередь, характеризуются коэффициентами или углами внешнего и внутреннего трения угля. Исходя из этого в [1, 2] определено критическое давление н P импульсного нагнетания жидкости в угольный пласт, при кото- ром развитие трещинообразования и разрушения угля может привести к про- явлению гидроразрыва или гидроотжима прослоев угля:                                      m г г г н Pdy m lf Hyb m lf Hk m P 0 2 11sin cos 12 1    , (1) где                        m lf Hk m y m lf Hf yb г г 1 2 11   ; k – сопротивление сдвигу (сцепление);  – удельный вес горных пород; H - глубина залегания пласта;  – угол внутреннего трения;  tg – коэффи- циент внутреннего трения; f – коэффициент трения между углем и вме- щающими породами. После интегрирования (1) получим    QQQ Q fL LLkP н arcsin1 cos 2 2 2    , (2) где        m fl HL г1 и Lk fL Q   . Из полученного выражения видно, что величина Рн существенным обра- зом зависит от коэффициентов внешнего и внутреннего трения угля. Однако при расчете по нормативным методикам [3] параметров высоконапорного на- гнетания жидкости для конкретных горно-геологических условий эти свойст- ва угольных пластов не учитываются. Вместе с тем, из анализа обстоятельств и причин произошедших выбросов при выемке угля после гидрорыхления следует, что все они произошли вследствие различных нарушений принятых параметров гидрорыхления или несоответствия их условиям ведения горных работ в выбросоопасных зонах, в которых гидрообработка пласта оказалась не эффективна для предотвращения газодинамических явлений [4]. Высокая эффективность способа гидроимпульсного воздействия при гид- рорыхлении угольных пластов и перспектива его широкомасштабного вне- дрения в производство поставила решение этой задачи на новый уровень. Тем не менее, несмотря на значительный объем исследований, связанных как с изучением свойств материалов, так и с нагнетанием жидкости в угольные пласты, достаточно ясных представлений о корректности методов определе- ния углов или коэффициентов внешнего и внутреннего трения углей и адек- ватности результатов, получаемых с их помощью, нет до сих пор. Значения коэффициентов контактного трения различных пар материалов приводятся в многочисленной литературе, однако, необходимо отметить их значительный разброс. Объяснить это можно различием методик [5, 6] и ус- ловий определения этих величин (степень параллельности, плоскостности и шероховатости контактирующих поверхностей, величина нормальной на- грузки, нарушение однородности нормальных напряжений по поверхности контакта вследствие образования опрокидывающего момента при приложе- нии к боковому торцу образца сдвигающей силы, смещенной относительно плоскости контактной поверхности, и т.д.). Сведения о значении углов внутреннего трения материалов сегодня можно найти лишь в немногочисленной литературе, при этом приведенные в ней данные достаточно противоречивы [5, 7]. Объяснить это также можно разли- чием методик и условий определения этих значений (величина нормальной нагрузки, однородность нормальных напряжений по плоскости сдвига, воз- можности реализации разрушения типа нормального отрыва при разрушении образца сдвигающей силой и т.д.). Поэтому для корректного определения углов или коэффициентов внешне- го или внутреннего трения угля использовались методики [8 - 10], суть кото- рых состояла в определении в условиях стесненной деформации в направле- нии сжатия зависимости сдвигающего или разрушающего усилия на сдвиг от нормальной сжимающей нагрузки соответственно. Изготовление образцов в виде прямоугольных параллелепипедов с прямо- угольными выступами на одной из их граней, которые используются для ус- тановления указанных выше зависимостей, из проб угля выбросоопасного угольного пласта k2 н гор. 617 м ш/у «Молодогвардейское» ПАО «Краснодон- уголь» (марки Ж) и проведение на них исследований в значительной степени осложняется их слоистостью и трещиноватостью, неоднородностью и низки- ми прочностными характеристиками. По этой причине регистрация сдвигаю- щего и нормального усилий при определении углов трения проводилась с по- мощью аппаратно-программного модуля [11], аппаратная часть которого включала упругие элементы с тензометрическими мостами, сигналы от которых подавались на усилитель, затем на аналогово-цифровой преобразователь и запоминающее устройство компьютера. Это обеспечило чувствительность измерений по сжимающей и сдвигающей нагрузкам до 2,5 Н. Зависимости сдвигающего усилия sF от нормальной сжимающей нагрузки P для контактирующих пар уголь-уголь, определенные с помощью методики [7, 8], приведены на рисунке 2. На этом рисунке представлена также линия тренда для экспериментально определенных точек указанной зависимости и ее уравнение в виде 0ybxy  , где, согласно [8], в качестве b следует пони- мать удвоенный коэффициент внешнего трения: fb 2 . Рис. 2 – Зависимость сдвигающего усилия sF от нормальной сжимающей нагрузки P для контактирующей пары уголь-уголь Величина достоверности аппроксимации 2R при этом была не ниже 0,97. Из этого следует, что в исследуемом диапазоне нагрузок зависимость сдви- гающего усилия от нормальной сжимающей нагрузки можно считать линей- ной. Таким образом, значения коэффициента и угла внешнего трения для контактирующей пары уголь-уголь, составляют 45,0f и 24 соответст- венно. Результаты определения с помощью методики [7, 9] зависимости разру- шающего усилия на сдвиг sF от нормальной сжимающей нагрузки P для об- разцов, изготовленных из проб угля, приведены на рисунке 3. На рисунке 3 также представлена линия тренда и ее уравнение, соответст- вующие зависимости вида 0ydxy  где, согласно [8], в качестве d следует понимать сумму коэффициентов внутреннего  и внешнего трения f : fd   . В данном случае 07,0 fff , поскольку для снижения влияния величины внешнего трения на определение коэффициента внутреннего тре- ния между образцом и плитой пресса устанавливались стальной уголок и фторопластовая пластина толщиной 0,1 мм, коэффициент внешнего трения которой относительно стали составлял 07,0ff . Рис. 3 – Зависимость разрушающего усилия на сдвиг sF от нормальной сжимающей нагрузки P Величина достоверности 2R аппроксимации экспериментальных данных линейной зависимостью, указанной на рисунке 4, составляла 0,98. Это озна- чает, что в исследуемом диапазоне нагрузок зависимость разрушающего сдвигающего усилия от нормальной сжимающей нагрузки также можно счи- тать линейной. Таким образом, значения коэффициента и угла внутреннего трения для исследуемых проб угля составляют 1,1 и 48 соответствен- но. Фотографии некоторых образцов угля после разрушения сдвигом высту- пов согласно используемой методике приведены на рис. 4. Рис. 4 – Образцы угля из выбросоопасного пласта k2 н гор. 617 м ш/у «Молодогвардей- ское» ПАО «Краснодонуголь» после разрушения их выступов сдвигом На основании установленных значений коэффициентов и углов внутрен- него и внешнего трения угля выбросоопасного пласта k2 н гор. 617 м ш/у «Мо- лодогвардейское» ПАО «Краснодонуголь» по формуле (2) выполнены расче- ты критического давления жидкости н P в фильтрационной камере при гидро- импульсном воздействии в зависимости от глубины герметизации скважины (рис. 5). В расчетах приняты следующие значения характеристик угольного пласта и параметров гидрорыхления: H = 720 м; m = 1,32 м; k = 1 МПа;  = 26,5 кН/м 3 ; гP = 2 МПа; глубина скважин для нагнетания жидкости от 6,0 м до 8,0 м; 0l = 0,1 м; гl = 2,5…5,5 м. Результаты этих расчетов представлены на рис. 5. На этом рисунке представлена также линия тренда для расчетных точек указанной зависимости и ее уравнение в виде 0ybxy  . Величина достоверности аппроксимации составляла при этом 00,12 R . Из этого следу- ет, что в рассмотренном диапазоне значений г l зависимость критического давления н P импульсного нагнетания жидкости от глубины герметизации скважин г l является линейной и для выше принятых значениях величин  , H , m , k , f ,  ,  и гP выражается формулой 70,160,1  гн lP , где  нP = МПа и  гl = м. y = 1,60x + 1,70 R 2 = 1,00 0 2 4 6 8 10 12 2 3 4 5 6l г , м Р н, МПа Рис. 5 – Зависимость критического давления нагнетания жидкости Рн в фильтрационной камере скважин от глубины ее герметизации lг при гидроимпульсном воздействии Результаты выполненных расчетов использовались при проведении горно- экспериментальных работ по гидроимпульсному воздействию в забое 33-го орловского конвейерного ходка пласта k2 н гор. 617 м ш/у «Молодогвардей- ское» ПАО «Краснодонуголь». Отличительной особенностью и преимуществом использованных методик определения углов внешнего и внутреннего трения является то, что при про- ведении исследований создаются условия, аналогичные состоянию угольного пласта, находящегося в условиях сжатия между породами кровли и почвы. Поэтому применение полученных результатов сопротивляемости угля сдвигу в расчетах параметров гидроимпульсного воздействия при гидрорыхлении выбросоопасных угольных пластов в конкретных горно-геологических усло- виях в значительно мере повышает надежность способа и уровень безопасно- сти ведения горных работ. При этом установление адекватных значений уг- лов внутреннего и внешнего трения угля позволяет более достоверно рассчи- тывать давление гидроотжима, которое является граничным условием при определении предельного состояния краевой части выбросоопасного уголь- ного пласта при его гидрорыхлении для различных глубин герметизации скважин. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Сравнительная оценка моделей гидрорыхления выбросоопасных угольных пластов / Л.М. Васильев, В.В. Зберовский, А.А. Ангеловский [и др.] // Импульсные процессы в механике сплошных сред: материалы международной научной конференции. - Николаев: КП «Миколаївська обласна друкарня», 2009.- С.142 - 145. 2. Зберовский В.В. Математическая модель предельного состояния угольного пласта при нагнетании жидкости / В.В. Зберовский, А.В. Пазынич, Ю.Е. Поляков // Материалы конференции «Математические про- блемы технической механики 2011».- Днепропетровск, Днепродзержинск: ИГТМ НАНУ, 2011.- С. 197-199. 3. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям / Стандарт Мин- углепрома Украины СОУ 10.1.001740088-2005. – Киев: Минуглепром Украины, 2005. – 225 с. 4. Закономерности проявления выбросоопасности при гидрорыхлении угольных пластов. / А.А. Рубин- ский, Э.И. Тимофеев, М.В. Чурадзе [и др.] // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов МакНИИ. - Макеевка-Донбасс: 2005. – С. 292-298. 5. Барон Л.И. Характеристики трения горных пород / Л.И. Барон. - М.: Наука, 1967. - 207с. 6. Капранов И.В. Теоретическая механика: Ч.1. Статика. / И.В. Капранов // Учеб. пособ. - М.:РГОТУПС, 2001.- 81с. 7. Порпевский А.К. Основы физики горных пород, геомеханики и управления состоянием массива / А.К. Порпевский, Г.А. Катков. - М.: Московский гос. открытый ун-т, 2004. – 120 с. 8. Костандов Ю.А. Определение коэффициентов внешнего и внутреннего трения материалов / Ю.А. Кос- тандов // Заводская лаборатория. – 2011. - №2. - С. 56-59. 9. Пат. 45121 Украина, Способ определения коэффициента трения / Ю.А. Костандов; заявитель и патенто- обладатель Таврический национальный университет - №200905365; заявлено 28.05.2009.; опубл. 26.10.2009, Бюл.№20. 10. Пат. 48513 Украина, Способ определения коэффициента внутреннего трения / Ю.А. Костандов; заяви- тель и патентообладатель Таврический национальный университет - №200908705; заявлено 19.08.2009.; опубл. 25.03.2010, Бюл.№6. 11. Костандов Ю.А., Медведев В.С. Исследование предельного состояния хрупких тел с трещинами при одноосном сжатии / Ю.А. Костандов // Заводская лаборатория. – 2011. - №3. - С. 54-57.

Учет внутреннего и внешнего трения угля при расчете параметров гидроимпульсного воздействия

Institution

Similar Items