Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта
Розглянуто питання зміни міцністних характеристик вугілля, яке знаходиться в напруженому стані при його вібраційному навантаженні. Запропоновано підхід активного керування напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта шляхом вібраційного впливу на нього пристроєм, вмонтованим н...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2004
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87335 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта / С.А. Курносов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 312-317. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87335 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Курносов, С.А. 2015-10-17T08:59:48Z 2015-10-17T08:59:48Z 2004 Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта / С.А. Курносов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 312-317. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87335 622.831.24:622.235.12 Розглянуто питання зміни міцністних характеристик вугілля, яке знаходиться в напруженому стані при його вібраційному навантаженні. Запропоновано підхід активного керування напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта шляхом вібраційного впливу на нього пристроєм, вмонтованим на секції механізованого кріплення. The problem of variation of strength properties of coals, taking place in a state of stress is reviewed at vibration load on them. The approach of fissile of active control of the stress-strained state of the coal seam in its bottomhole formation zone is proposed by percussive affecting on him by the device set on a powered support unit. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта The determination of parameters of wear hardness of a bench coal to a percussive intrusion indentor for active control of state a bench Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| spellingShingle |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта Курносов, С.А. |
| title_short |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| title_full |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| title_fullStr |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| title_full_unstemmed |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| title_sort |
определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта |
| author |
Курносов, С.А. |
| author_facet |
Курносов, С.А. |
| publishDate |
2004 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехнічна механіка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The determination of parameters of wear hardness of a bench coal to a percussive intrusion indentor for active control of state a bench |
| description |
Розглянуто питання зміни міцністних характеристик вугілля, яке знаходиться в напруженому стані при його вібраційному навантаженні. Запропоновано підхід активного керування напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта шляхом вібраційного впливу на нього пристроєм, вмонтованим на секції механізованого кріплення.
The problem of variation of strength properties of coals, taking place in a state of stress is reviewed at vibration load on them. The approach of fissile of active control of the stress-strained state of the coal seam in its bottomhole formation zone is proposed by percussive affecting on him by the device set on a powered support unit.
|
| issn |
1607-4556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87335 |
| citation_txt |
Определение параметров сопротивляемости угольного пласта вибрационному внедрению индентора для активного управления состоянием пласта / С.А. Курносов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2004. — Вип. 51. — С. 312-317. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kurnosovsa opredelenieparametrovsoprotivlâemostiugolʹnogoplastavibracionnomuvnedreniûindentoradlâaktivnogoupravleniâsostoâniemplasta AT kurnosovsa thedeterminationofparametersofwearhardnessofabenchcoaltoapercussiveintrusionindentorforactivecontrolofstateabench |
| first_indexed |
2025-11-26T20:12:13Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:12:13Z |
| _version_ |
1850772778481876992 |
| fulltext |
312
УДК 622.831.24:622.235.12
С.А. Курносов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ УГОЛЬНОГО
ПЛАСТА ВИБРАЦИОННОМУ ВНЕДРЕНИЮИНДЕНТОРА ДЛЯ
АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ПЛАСТА
Розглянуто питання зміни міцністних характеристик вугілля, яке знаходиться в напруже-
ному стані при його вібраційному навантаженні. Запропоновано підхід активного керування
напружено-деформованим станом привибійної частини вугільного пласта шляхом вібрацій-
ного впливу на нього пристроєм, вмонтованим на секції механізованого кріплення.
THE DETERMINATION OF PARAMETERS OF WEAR HARDNESS OF A
BENCH COAL TO A PERCUSSIVE INTRUSION INDENTOR FOR ACTIVE
CONTROL OF STATE A BENCH
The problem of variation of strength properties of coals, taking place in a state of stress is re-
viewed at vibration load on them. The approach of fissile of active control of the stress-strained
state of the coal seam in its bottomhole formation zone is proposed by percussive affecting on him
by the device set on a powered support unit.
Сопротивляемость горных пород деформациям и разрушению, как реакция
на внешние воздействия, находится в зависимости от параметров нагружения.
Изменение скорости воздействия, при прочих равных условиях, сопровождает-
ся изменением технологических показателей процесса разрушения пород. По-
казатели прочности и устойчивости пород – сцепление и угол внутреннего тре-
ния, зависят не только от их физических свойств, но и от режимов нагружения.
Существуют предельные значения сцепления и угла внутреннего трения горной
породы, соответствующие предельным статическому и динамическому режи-
мам нагружения. Известно, что с возрастанием скорости деформации породы
происходит увеличение сцепления при одновременном уменьшении угла внут-
реннего трения. Установленные обобщенные закономерности изменения харак-
теристик прочности (сцепления и угла внутреннего трения) при сжатии, а также
модуля упругости позволяют оценивать их значения при различных скоростях
нагружения по величинам пределов прочности и модулей упругости, опреде-
ляемым при одноосном статическом сжатии исследуемой породы. С возраста-
нием скорости деформации происходит увеличение прочностных свойств гор-
ных пород, обусловленное отставанием необратимых деформаций от дейст-
вующих нагрузок. При этом повышение прочности определяется микрострук-
турой материала и зависит от времени выхода магистральной трещины на по-
верхность [1, 2].
При вибрационных (повторно-переменных) нагрузках сопротивляемость
горных пород разрушению уменьшается (явление усталости). Это обусловлено
тем, что при спаде нагрузки происходит дальнейший рост деформации пород.
Причем, предел усталости σ у. тем ниже, чем выше амплитуда действующих
напряжений и чем меньше значение коэффициента асимметрии цикла:
313
max
min
σ
σγ =а ,
где minσ и maxσ – соответственно минимальные и максимальные напряжения
цикла нагружения.
Нашими исследованиями, а также других авторов [1-3] установлено, что в
условиях всестороннего сжатия сопротивляемость горных пород одноосным
переменным нагрузкам как сжатия, так и растяжения уменьшается, т. е. увели-
чивается их деформируемость не только от действия технологических пере-
менных нагрузок, но и от горного давления. Кроме того, уменьшается количе-
ство циклов нагружения, необходимых для разрушения горной породы.
Модули упругости Есж.дин. всех испытанных пород до десятого цикла нагру-
жения возрастают в среднем на 25 % , а затем резко убывают, снижаясь в мо-
мент разрушения примерно на 30 % от начального значения. Изменение коэф-
фициента поперечной деформации ν сж.дин. идет в обратном порядке – с на-
чальным уменьшением его значений на 25-30 % и последующим возрастанием
к моменту разрушения до 40 % [1].
В настоящее время существует множество теорий для расчета прочности
горных пород, находящихся в напряженном состоянии. В каждой из них при-
меняются различные критерии разрушения [4-6]. Однако, на данный момент не
существует теорий, учитывающих все особенности сложного напряженного со-
стояния пород, поэтому расчет предельных напряжений пока оказывается воз-
можным лишь на основании методов сплошных сред. Многие из них с различ-
ными уточнениями достаточно хорошо согласуются с экспериментальными
данными по определению напряжений, при которых происходит макроскопиче-
ское разрушение. Потеря несущей способности пород в результате вибрацион-
ных нагрузок приводит к динамической задаче. Однако, решение динамических
упругопластических задач очень сложно с математической точки зрения. По-
этому для оценки развития процесса разрушения исходят из уравнений статики.
С учетом определенной корреляции результаты решения приемлемы для оцен-
ки распределения напряжений, размеров зон разрушения, неупругих деформа-
ций [7].
При вибрационном (циклическом) воздействии на угольный пласт, находя-
щийся в объемно-напряженном состоянии, изменяются показатели прочности и
устойчивости угля, характеризующиеся сцеплением, углом внутреннего трения,
а также модулем упругости. Для аналитического обоснования этих показателей
при выборе рациональных источников и параметров вибровоздействия в про-
цессе образования шпуров путем внедрения индентора в угольный пласт нами
использован критерий прочности Кулона, согласно которому условие разруше-
ния записывается в виде [8]:
31 sin1
sin1
24
2 σ
ρ
ρρπσ ⋅⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
+
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −⋅⋅≥ ctgC , (1)
314
где 1σ и 3σ - соответственно максимальное и минимальное главные нормаль-
ные напряжения; C - предельное напряжение на сдвиг (сцепление); ρ - угол
внутреннего трения.
Для нашего случая 1σ - это минимальное напряжение сжатия, которое необ-
ходимо создать на наконечнике индентора для его внедрения в пласт, а 3σ - го-
ризонтальная составляющая главного нормального напряжения в угольном
пласте:
..3 отпбокк КНК ⋅⋅⋅= γσ , (2)
где кК - коэффициент концентрации напряжений; Нγ - объемный вес вышеле-
жащих пород; ..отпбокК - коэффициент бокового отпора.
Для наших условий кК возрастает в интервале от 1,15 до 1,4 в зависимости
от увеличения крепости угля, а ..отпбокК принимается равным 0,5 [9]. Значение
Нγ берется при Н =1000 м и составляет 26 МПа.
Критерий Кулона предполагает определение предельных напряжений при
статическом нагружении, поэтому для перехода к динамической задаче необхо-
димо ввести в него дополнительные выражения, которые определяют показате-
ли прочности и устойчивости угля в зависимости от скорости нагружения.
Значения показателей прочности и устойчивости угля – сцепления, коэффи-
циента внутреннего трения и модуля упругости, в зависимости от скорости на-
гружения определяли по результатам одноосного статического испытания уг-
лей различной крепости.
Для исследуемых пластов, отрабатываемых механизированными комплек-
сами, п
1l – Мазур, 3l – Мазурка, 7k – Александровский, m3 – Толстый, 3k –
Дерезовка, 1
7k – Юльевский, h3 – Ремовский шахт Центрального района Дон-
басса эти характеристики изменяются в следующих пределах [10-13]:
– модуль упругости при статическом разрушении .стЕ =0,3·103 – 2,1·103
МПа;
– угол внутреннего трения - .стρ =0,42 – 0,66 рад;
– сцепление – .cmC =0,13-1,52 МПа.
При вибрационном внедрении индентора в угольный пласт используются
искробезопасные пневматические вибровозбудители. В соответствии с техни-
ческими характеристиками вибраторов данного типа частота вибровоздействия
изменяется в пределах от 0 до 200 Гц. Данный диапазон частот не способствует
повышению опасности при воздействии на напряженный угольный массив, так
как, согласно выполненным исследованиям [14-16], возникновение внезапных
выбросов угля, породы и газа происходит при собственных колебаниях при-
контурной части угольного пласта свыше 200-600 Гц. Вместе с тем, при часто-
тах вибрации порядка 200 Гц, по утверждению авторов тех же работ, возникают
315
импульсы большой мощности и малой длительности, способствующие разви-
тию густой, но менее глубокой, чем на низких частотах, сети трещин, что по-
зволяет более интенсивно и однородно разрушать массив угля вокруг шпура и
облегчить проникновение индентора в глубь пласта. Изменение прочностных
характеристик угля – сцепления и угла внутреннего трения, в зависимости от
скорости деформации ε& , определяется выражениями [1]:
( ) .. 7,1ln11,0 стдин CС ⋅−= ε& ; (3)
( ) .. ln05,01 стдин ρερ ⋅−= & , (4)
где .динС и .стС – предельные напряжения на сдвиг при динамическом и стати-
ческом воздействии; .динρ и .стρ – углы внутреннего трения при динамическом
и статическом воздействии; ε& – скорость деформации угля.
Скорость деформации определяется из выражения:
)(ε
σε
&
&
E
a Ζ⋅
= , (5)
где Ζ - циклическая частота вибровоздействия; )(ε&E - модуль упругости при
данной скорости деформации; аσ - амплитуда нагружения:
.max сра σσσ −= ,
2
minmax
.
σσσ +
=ср ,
где .срσ , maxσ и minσ - соответственно среднее, максимальное и минимальное
напряжения цикла нагружения.
В нашем случае, когда на индентор действует постоянная статическая на-
грузка .стσ и дополнительно накладывается переменная (динамическая) на-
грузка .динσ , справедливы выражения:
..max стдин σσσ += ;
.min стσσ = ,
тогда
.5,1 дина σσ = .
Выше указывалось, что в момент разрушения от воздействия динамических
нагрузок модуль упругости .динЕ возрастает в среднем на 25 % от его значения
316
при статическом нагружении .стЕ , а при циклическом воздействии усталостный
модуль упругости .уЕ всех горных пород снижается в среднем на 30 %, т. е.:
.. 25,1 стдин ЕЕ = ;
.. 7,0 сту ЕЕ =
Аналитическое исследование влияния частоты вибровоздействия на прочно-
стные характеристики углей различной крепости будем производить при дина-
мической нагрузке, равной половине предела прочности на статическое сжатие
данного угля, находящегося в объемно-напряженном состоянии:
.... 5,0 стсждинсж σσ =
С учетом всего выше перечисленного, при вибрационном воздействии вы-
ражение (5) примет вид:
.
..07,1
ст
стсж
E
Z⋅
=
σε& (6)
Кроме того, в результате испытания образцов различных горных пород [1]
установлена зависимость предельных напряжений на сжатие от количества
циклов их нагружения, которая для всех пород имеет общую тенденцию и ап-
проксимируется выражением:
( )Nдинсжусж lg105,01.... ⋅−⋅= σσ , (7)
где σсж.у. – предельное усталостное напряжение на сжатие (при вибрационном
нагружении); N– количество циклов нагружения.
С учетом выражений (2-4, 6 и 7) критерий Кулона (1) преобразуется в кри-
терий для определения предельных усталостных напряжений при вибрацион-
ном (циклическом) нагружении:
( )NКНКctgC отпбокк
дин
диндин
дину lg105,01
sin1
sin1
24
2 ..
.
..
.. ⋅−⋅⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⋅⋅⋅⋅⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
+
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −⋅⋅≥ γ
ρ
ρρπσ
(8)
При внедрении индентора в угольный пласт можно считать, что в течение
короткого промежутка времени t=1 c наконечник индентора воздействует на
одну и ту же точку пласта, следовательно, количество циклов нагружения на
каждую точку будет равно циклической частоте вибровоздействия.
На рисунке 1 показана рассчитанная по формуле (8) зависимость предель-
317
ных усталостных напряжений углей различной крепости от циклической часто-
ты вибровоздействия (количества циклов нагружения) на пласт. Анализ данной
зависимости показывает, что с увеличением частоты вибровоздействия от 0 до
200 Гц предельные напряжения углей снижаются на 30-40%.
1 – мягкие угли; 2 – угли средней крепости; 3 – крепкие угли.
Рис. 1 – Аналитическая зависимость предельных усталостных напряжений
углей различной крепости от частоты вибровоздействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берон А. И. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения. – М.: Недра, 1983. – 276 с.
2. Мохначев М. П., Присташ В. В. Динамическая прочность горных пород. – М.: Наука, 1982. – 144 с.
3. Мохначев М. П. Усталость горных пород. – М.: Наука, 1979. – 152 с.
4. Партон В. З., Морозов Е. М. Механика упругопластического разрушения. - М.: Наука, 1974. – 416 с.
5. Писаренко Г. С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном со-
стоянии. - К.: Наук. думка, 1976. – 415 с.
6. Глушко В. Т., Виноградов В. В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного дав-
ления. – М.: Недра, 1982. – 193 с.
7. Виноградов В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – К.: Наук.
думка, 1989. – 192 с.
8. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. – М.: Недра, 1987. – 221 с.
9. Булат А. Ф., Курносов А. Т., Русанцов Ю. А. Управление состоянием предельно напряженного породно-
го массива малоэнергоемкими воздействиями. – К.: Наук. думка, 1993. – 175 с.
10. Берон А. И., Казанский А. С., Лейбов Б. М., Позин Е. З. Резание угля. – М.: Госгортехиздат, 1962. – 324
с.
11. Позин Е. З. Сопротивляемость углей разрушению режущими инструментами. – М.: Наука, 1972. – 240
с.
12. Булат А. Ф., Курносов А. Т. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пла-
стов. – К.: Наук. думка, 1987. – 198 с.
13. Иванов Б. М., Фейт Г. Н., Яновская М. Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбро-
соопасных пластов. – М.: Наука, 1979. – 195 с.
14. Потураев В. Н., Минеев С. П. Использование вибрационных и волновых эффектов при отработке вы-
бросоопасных пластов. – К.: Наукова думка, 1992. – 200 с.
15. Зорин А. Н., Колесников В. Г., Минеев С. П. Управление состоянием горного массива. – К.: Наукова
думка, 1986. – 212 с.
16. Зорин А. Н., Халимендик Ю. М., Колесников В. Г. Механика разрушения горного массива и использо-
вание его энергии при добыче полезных ископаемых. – М.: Недра, 2001. – 413 с.
|