Понятие «горное давление» и «нагрузка на крепь».

Нагрузка на крепь – напряжения, возникающие на контакте крепи и массиве в результате их силового взаимодействия.

Горное давление, собирательное понятие в горной геомеханике, объединяющее совокупность силовых полей (напряжённых состояний), формирующихся в земных недрах вследствие естественных и производственных воздействий. Главным возбудителем Горное давление служит гравитация; дополнительными возбудителями, имеющими разную распространённость, длительность и силу действия, являются геотектонические процессы, а также производственная деятельность по добыванию полезных ископаемых, строительству подземных и наземных сооружений. Непрерывно или скачкообразно перераспределяясь в породных массивах в силу различных причин, Горное давление способно производить как разрушительную, так и полезную работу (например, по облегчению добычи полезных ископаемых). Явления, вызываемые Горное давление(деформации, смещения и разрушения элементов породных массивов и земной поверхности, взаимодействие элементов массивов с инженерными сооружениями, в том числе нагружение крепей горных выработок), известны в технике под названием «проявления горного давления», целесообразное управление которыми представляет одну из важнейших практических задач горного производства и горной науки. Правильное расположение, проведение и поддержание горных выработок — средства эффективного местного регулирования Горное давление (рис.), которые находят широкое применение на шахтах (например, для борьбы с горными ударами за счёт опережающей выемки «защитных» пластов). ПонятиеГорное давление возникло в 19 в. Учение об управлении Горное давление нашло отражение в трудах М. М. Протодьяконова-старшего, П. М. Цимбаревича, В. Д. Слесарева и ряда др. советских исследователей. За границей существенные исследования проведены К. Бахом (Германия), Г. Шпакелером (ГДР), Р. Феннером (Чили), Ф. Мором (ФРГ), А. Лабасом (Бельгия) и др.

2. . Цементация пород, условия её применения.

Сущность способа тампонирования заключается в искусст­венном заполнении пустот трещин и пор массива горных пород материалом, способным, вступая в химическое взаимодействие с породой или самостоятельно, со временем затвердевать и пре­пятствовать тем самым движению по ним подземных вод. Для этого в массиве горных пород бурят специальные скважины, через которые нагнетают тампонажный раствор. Давление на­гнетания принимают в 2—3 раза больше гидростатического давления подземных вод, а также из условия исключения вы­хода тамлонажного раствора на поверхность земли. Тампо­нажный раствор, распространяясь на определенное расстояние от скважин заполняет пустоты и трещины в породах, и после затвердевания тампоиажного раствора водонепроницаемость массива горных пород в значительной степени уменьшается, что дает возможность возводить подземные сооружения в от­носительно благоприятных гидрогеологических условиях.

Различают предварительный и последующий тампонаж гор­ных пород. Предварительный тампонаж горных пород прово­дят до начала горно-строительных работ. Он направлен на со­здание благоприятных горно-геологических условий как при строительстве, так и при эксплуатации подземных сооружений. В этих случаях тампонаж горных пород рассматривается как один из специальных способов строительства, который освеща­ется в настоящем курсе.

Последующий тампонаж горных пород проводят после за­вершения строительства подземных сооружений € целью со­здания благоприятных горно-геологических условий поддержа­ния подземных сооружений на период их эксплуатации.

В зависимости от того, какой материал нагнетают в массив горных пород, различают следующие виды тампонирования; цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация.

При цементации в массив горных пород нагнетают цемент­ные растворы, которые, затвердевая, уменьшают трещииоватость водоносных пород. Цементацию применяют, для сниже­ния притоков воды или газа при строительстве подземных со­оружений в трещиноватых водоносных или газоносных поро­дах; защиты бетонной крепи от действия агрессивных подзем­ных вод; восстановления разрушенной крепи; укрепления, мас­сива горных пород; возведения противофильтрационных завес.

В настоящее время цементацию горных пород применяют в наибольших объемах. С этой целью до начала горно-строи­тельных работ в место заложения подземного сооружения че­рез систему скважин в массив горных пород нагнетают цемент­ный раствор. После затвердения раствора образуется водоне­проницаемый массив зацементированной горной породы, внут­ри которого возводят подземное сооружение при отсутствии или с незначительным притоком воды.

Применяют при удельном водопоглощении q>0.05л/мин (q=водопоглощение Q разделить на произведение H и h – глубина заложения и мощность тампонажного массива). Цементацию целесообразно применять: в крепких трещино­ватых горных породах с размером трещин не менее 0,1 мм и скорости движения подземных вод менее 600 м/сут; в гравийно-галечных породах с размером зерен более 2 мм при усло­вии, что поры между зернами свободны от глинистых или пес­чаных частиц; в крупнозернистых песках при диаметре зерен более 0,8 мм. Цементацию нельзя применять: если породы-глинистые; супесчаные; суглинистые; крепкие пористые породы.

3. Шахтная пыль: состав, источники, факторы, определяющие степень опасности.

Пыль — это физическое состояние твердого вещества. Спе­цифической особенностью пылевидного состояния является раз­дробленность вещества на мельчайшие частицы с образованием значительной площади поверхности.

По происхождению пыль делится на органическую, неор­ганическую и смешанную.

К неорганической пыли относится пыль: свинца, цинка, железа, титана, кобальта, вольфрама и др., а также пыль раз­личных сплавов и минеральная пыль: кремниевая, асбестовая, известковая, корундовая, шамотная и др. В условиях производств распространена пыль смешанного состава. Взвешенная в воздухе пыль называется аэрозолем

Горючие и взрывчатые свойства руднич­ной пыли

Известно, что тонкодиспергированная пыль многих твер­дых веществ, например, дерева, алюминия, железа, угля, серы, колчеданной руды, цинка, а также табачная, сахар­ная, мучная и др., находясь во взвешенном состоянии, легко воспламеняется и взрывается.

В отличие от взрывов газа, где взрывчатая среда образу­ется при диффузионном перемешивании, при взрыве пыли необходима дополнительная энергия для создания аэрозоля взрывчатой концентрации.

Аэрозоль взрывчатой концентрации, нагретый в одной точке до температуры воспламенения, воспламеняется и го­рит во всем объеме. Такое горение может перейти во взрыв.

взрыв пылевого облака обусловливается степенью дисперс­ности пыли, ее способностью к агрегации, содержанием влаги, гео­метрией пространства, мощностью источника воспламенения;

химический состав пыли обусловливает выход летучих продуктов, которые принимают участие во взрыве;

взрыву предшествует накопление тепла в результате реакции окисления и образования газообразных продуктов;

облако угольной пыли способно самозаряжаться электричеством вследствие трения пылинок друг о друга, а при благоприятных условиях разряжаться с появлением искр, которые могут воспламенить пыль;

при взрыве угольной пыли образуется много окиси углерода, в то время как при взрыве метана образуется преимущественно углекислый газ.

Температура воспламенения угольной пыли составляет 700—800 °С. При сгорании угольной пыли в СО2 выделяется 34,35 мДж на 1кг углерода.

Типо J источники пыли:

В процессе добычи полезного ископаемого обра­зуется большое количество пыли. Пылеобразование зависит от технологических факторов и природных свойств разрабатывае­мых пластов, залежей и рудных тел. Так, на угольных шахтах удельное пылевыделение колеблется от 50 до 1000г на 1 т добытого угля, а чаще всего составляет 100 — 200 г/т.

Решающую роль в образовании пылевого облака имеет ско­рость движения воздуха в очистных и подготовительных забоях, а также у мест погрузки и перегрузки угля. Чем выше ско­рость, тем больше несущая способность потока, тем большее количество пыли переходит во взвешенное состояние. В боль­шинстве случаев для разных по минералогическому составу пылей запыленность воздуха начинает возрастать при скоро­сти его движения не менее 1,8 м/с. При расчетах необходимого количества воздуха по пылевому фактору при проектирова­нии вентиляции и на действующих шахтах рекомендуют при­нимать в очистных забоях минимально допустимую скорость движения воздуха 0,9 м/с, а оптимальную 1,6 м/с, в подготови­тельных забоях с конвейерной доставкой — соответственно 0,7 и 1,3 м/с.

Факторы, влияющие на взрывчатость уголь­ной пыли

Основными факторами, оказывающими влияние на взрыв­чатость угольной пыли, являются: выход летучих веществ, дис­персный состав, состав атмосферы, зольность, влажность, ве­совая концентрация.

Влияние выхода летучих веществ

При увеличении выхода летучих веществ взрывчатость уголь­ной пыли увеличивается (рис. 3.1). Существует предельное со­держание выхода летучих веществ, при котором пыль не взры­вается. Как видно из графика (рис. 3.1), при Vcdaf= 6 % пыль при испытаниях не взрывалась. Это указывает на существование кри­тического значения выхода летучих веществ (Vcdaf > 15 %), ниже которого угольная пыль перестает взрываться.

На рис. 3.2 показано изменение скорости распространения пла­мени при взрыве угольной пыли в зависимости от выхода летучих ве­ществ и концентрации пыли. Из графика видно, что при выходе лету­чих веществ 7,3 % и менее угольная пыль является невзрывчатой.

Влияние дисперсного состава пыли В результате многочисленных исследований установлено, что во У взрыве участвует пыль фракций размером менее 100 мкм. При этом чем больше степень диспергирования, тем выше мощность взрыва (рис. 3.3). Это объясняется тем, что при высокой степени диспергирования уве­личивается удельная площадь поверхности частиц пыли (рис. 3.3), что способствует быстрому протеканию реакции окисления. Можно однозначно утверждать, что с увеличением сте­пени дисперсности взрывчатость угольной пыли растет. По­этому пыль в горных выработках угольных шахт по мере уда­ления от источника пылеобразования является потенциально более взрывоопасной.

Влияние состава атмосферы

Состав атмосферы оказывает существенное влияние на взрывчатость угольной пыли. При наличии в шахтной атмосфе­ре метана повышается степень взрывчатости пыли, снижается нижний предел взрывоопасной концентрации пыли.

Минимальная концентрация пылевого облака, при кото­рой пыль еще способна взрываться, называется нижним преде­лом взрываемости взвешенной угольной пыли бвзв и может быть определена по формуле

Верхний предел взрывоопасной концентрации пыли в воз­духе может достигать 2000-3000 г/м3. Наибольшая сила взрыва достигается при концентрации 300—400 г/м3.

Влияние зольности

Зола как инертная добавка снижает взрывчатость угольной пыли, так как часть тепла, излучаемого горячими частицами, расходуется на нагрев негорючих частиц, что приводит к сни­жению количества тепла взрыва и температуры пламени. Кроме того, негорючие частицы, находясь в аэрозоле, разжижают кон­центрацию взрывоопасных частиц, экранируют тепловые лучи и способствуют снижению теплового баланса.

Негорючие вещества, химически связанные с угольным веществом, называются конституционной золой. Она равномерно распределена в угле, а следовательно, и в пыли. Конституцион­ная зола вместе с внешней золой способствует снижению взрыв­чатости угольной пыли.

Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих веществ 15 % и менее существенно снижается при зольности 20—30 %. При выходе летучих веществ более 30 % естественная зольность не оказывает влияния на взрывчатость угольной пыли.

Влияние влажности

Влага действует двояко: во-первых, она действует как инер­тная добавка, снижая тепловой баланс системы; во-вторых, она способствует аутогезии мелких частиц в более крупные, что снижает удельную поверхность пыли. Осевшая увлажненная пыль не переходит во взвешенное состояние и не может участвовать в создании взрывоопасных концентраций. Внешняя влажность угольной пыли, осевшей на почве выработки, должна быть 12 % и более.

Минимальная энергия воспламенения пылевоздушной смеси зависит от выхода летучих веществ (рис. 3.4). Как видно из рис. 3.4, с ростом выхода летучих веществ величина энергии вос­пламенения снижается и достигает определенного минимума при Vdaf— 25—30 % и далее возрастает.

Установлена также зависимость изменения минимальной энергии воспламенения от концентрации пыли. С увеличением концентрации пыли величина минимальной энергии воспламе­нения снижается.