Курсовая работа: Влияние горного давления на отбойку породы

Когда происходит упрочнение наблюдается рост всех сопротивлений деформации твёрдого тела. В процессе "отдыха" эти сопротивления снижаются, на что необходимо некоторое время. Это определяется скоростью деформации. Степень влияния отдыха зависит от температуры, продолжительности процесса разрушения и величины предшествующего упрочнения.

Упрочнение материала при деформации связывается с искажением кристаллической решётки, что вызывает затруднение в сдвигообразовании. При динамическом нагружении эти искажения нарастают быстрее, чем при статическом. Такие искажения частично исчезают в результате "отдыха", но чем меньше время действия напряжения или выше скорость нагружения, тем в меньшей степени снимаются искажения, возникающие в кристаллических решётках, и тем больше сопротивление породы разрушению. Иными словами, при больших скоростях нагружения разупрочнение не успевает протекать полностью, как это имеет место при статическом (медленном) нагружении, и сопротивление породы разрушению возрастает.

Влияние характера и силы нагружения на эффективность разрушения пород носит также вполне закономерный характер, как было отмечено ранее, выражающееся определённой зависимостью.

При действии статической нагрузки, зависимость эффективности РГП от величины Р имеет нелинейный скачкообразный характер.

При динамическом внедрении индентора эффективность разрушения, а следовательно и объёмная работа разрушения зависят от скорости удара и массы ударника.

Исследованиями Л.А. Шрейнера установлено, что эта зависимость имеет экстремумы и выражается кривой, имеющей минимумы и максимумы функции A = f ( q ). Отсюда видно, что при небольшом уровне затрачиваемой энергии объёмная работа разрушения уходит в бесконечность, т.е. разрушения породы не происходит. Минимальные значения удельной объёмной работы разрушения соответствуют периодам цикла объёмного разрушения породы. В этом случае хорошо иллюстрируется характер разрушения породы при внедрении индентора. Периодичность максимумов является следствием цикличности процесса разрушения породы при внедрении индентора.

При исследованиях этого фактора наблюдается общая тенденция к снижению объемной работы разрушения и повышению КПД разрушения с увеличением энергии удара, при наличии максимумов и минимумов, что характерно для упруго-пластичных пород. Это связано, как было показано ранее, с проявлением некоторых свойств горных пород в зависимости от характера (скорости) действия нагрузки (рис. 1).

Влияние формы индентора также сказывается определенным образом на энергоемкость разрушения горных пород. Рациональной формой ПРИ, очевидно, будет такая, при которой сопротивление породы внедрению индентора будет минимально.

2. Влияние горного давления на отбойку породы

Массив горной породы находится в напряженном состоянии под действием силы тяжести налегающих пород и тектонических сил, то есть — горного давления. Положим, что это напряжение равно γ. Для разрушения породы в объеме V требуется определенное количество энергии, порядка , независимо от того, каким способом эта энергия введена в объем V, и какой вид этой энергии. Напряжение γ, созданное горным давлением, обусловливает аккумулирование в породе энергии , следовательно, для разрушения породы потребуется меньше энергии от внешнего источника, а именно

, (1)

где η — к.п.д. процесса, применяемого для разрушения породы, например, для механического разрушения определяется по , для термического процесса — по (1) и т.д.

Уравнение (1) справедливо для любых видов энергии и способов разрушения породы. Разрушение породы произойдет после введения энергии Q в разрушаемый объем V породы, причем чем больше напряжение в породе γ, тем меньше требуется затратить энергии от источника и в пределе при условии от источника энергия не потребляется, а разрушение породы происходит под действием горного давления. В противоположном случае, когда горным давлением можно пренебречь, то Q=kV/E разрушение породы происходит только под действием напряжений, создаваемых в породе внешним источником энергии. Очевидно целесообразно использовать природную, дармовую энергию горного давления для управляемой отбойки, экономя энергию любого внешнего источника, что существенно повысит производительность машин, так как снижается энергоемкость отбойки породы. В настоящее время действие горного давления широко используют при добыче угля: отбойку ведут в зоне опорного давления, где концентрация напряжений γ максимальна. Для отбойки применяют узкозахватные комбайны, отбивающие уголь вдоль лавы полосой шириной около 0,6 м и струги, отбивающие уголь стружкой толщиной до 0,2 м. При такой технологии получены максимальная производительность машин, при минимальной энергоемкости. Применение взрывной отбойки в зоне опорного давления так же дает положительные результаты: расход бурения и взрывчатого вещества уменьшается. Активное влияние горного давления отмечено при поверхностном электротермическом разрушении: в зоне повышенного горного давления скорость разрушения существенно повышается. Преобразуем уравнение (1) для конкретных видов энергии: для механической энергии , следовательно, получаем

. (2)

Для термического способа разрушения принимает вид:

(3)

Для конкретного способа термического разрушения в (3) нужно определить среднюю температуру Т рабочего тела: для объемного разрушения можно применить значение V₀ , полагая V₀ в форме сферы с радиусом h= соответственно

,

А формула (3) принимает вид

(4)

Для поверхностного термического разрушения V₀ принимаем в виде Sh = V₀ , где S — площадь облучаемой поверхности. С учетом значения V₀ , формула (3) может быть преобразована к виду:

(5)

Из формул (2 - 5) следует, что увеличение напряжения γ от горного давления снижает потребление энергии от внешнего источника, поэтому при постоянной мощности машины N, ее производительность увеличивается:

Влияние горного давления на эффективность отбойки породы используют для определения величины горного давления, действующего в породном массиве: поскольку для конкретной машины или способа разрушения породы величину энергии, введенной в породу, можно считать известной величиной, то измеряя отбитый объем V породы с известными свойствами, определяют величину напряжения, действующего в массиве и вызванного горным давлением: например, для механического способа отбойки из (2) получаем, что

(6)

Для определения напряжений в пласте угля изменяют количество штыба, образующегося при бурении шпура коронкой определенного диаметра: штыба выходит из шпура больше, чем должно быть в соответствии с диаметром коронки. Увеличение объема штыба связано с действием горного давления в пласте угля. В прочных породах объем шпура остается постоянным, но увеличивается скорость бурения: v = V/St, применив V из (2) получим:

(7)

где S — площадь сечения шпура. Измеряя скорость бурения шпура, вычисляют значение γ .