Инновационные перспективы Донбасса. Том 1, 2019 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

Том 1.Проблемы иперспект ивы вг орном делеист роит ельст ве

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОУ ВПО "ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ДонНТУ) СОВЕТ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ДонНТУ ГОУ ВПО ЛНР «ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Т. ШЕВЧЕНКО» (ЛНУ) ГОУ ВПО ЛНР «ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ДонГТУ) ДОНЕЦКАЯ РЕСПУБЛИКАНСКАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИННОВАЦИОННЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ДОНБАССА Материалы 5-й Международной научно-практической конференции Том 1. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

г. Донецк 21-23 мая 2019 года

Донецк – 2019

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 21-23 мая 2019 г. – Донецк: ДонНТУ, 2019. Т. 1: 1. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. – 2019. – 199 с.

Представлены материалы 5-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 21-23 мая 2019 г. в Донецке на базе Донецкого национального технического университета, включающие доклады ученых и специалистов по вопросам приоритетных направлений научно-технического обеспечения инновационного развития Донбасса и формирования механизмов повышения социально-экономической эффективности развития региона. Материалы предназначены для специалистов народного хозяйства, ученых, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Редакционная коллегия Министр образования и науки ДНР Е. В. Горохов, ректор ДонНТУ А. Я. Аноприенко, д-р пед. наук Г. А. Сорокина, канд. наук по гос. упр. А. Е. Пожидаев, д-р техн. наук Г. Г. Литвинский, д-р техн. наук С. В. Борщевский, д-р техн. наук Э. Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, д-р экон. наук Я. В. Хоменко, д-р экон. наук И.В. Филатова, председатель Совета молодых ученых ДонНТУ Е. С. Дубинка. Рекомендовано к печати ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Министерства образования и науки ДНР. Протокол № __ от __ _______ 20__ г. Контактный адрес редакции НИЧ ДонНТУ, ул. Артема, 58, Донецк, 283001 Тел.: +380 (62) 305-35-67. Эл. почта: ipd.donntu.org@gmail.com Интернет: http://ipd.donntu.org

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве СОДЕРЖАНИЕ Т.Т. Абрамова Целенаправленное преобразование слабых грунтов………….......6 В.В. Диденко, Е.И. Советова, В.Ю. Деревянский, И.П. Горошко, В.П. Диденко Анализ травматизма и разработка требований безопасности к забойным машинам и комплексам……………………………………..…10 В.А. Дрибан, Д.М. Хламов Механизм клинообразования – основная причина нарушения контура горных выработок…………………………………..………….15 В.М. Погибко, В.Ф. Раков, О.А. Демченко Исследования акустических характеристик деталей горношахтного оборудования………………………………………………………….20 И.Л. Сидак, В.М. Погибко, О.А. Демченко Интегральная дефектоскопия конструкций шахтных подъемных установок………………………………………………….……………...25 И.В. Устименко Проблемы подготовки кадров для современного горного производства……………………………………………………………………30 О.Г. Кременев Методика контроля радоновыделения на ликвидируемых угольных шахтах……………………………………………………………….34 Э.В. Борисенко, Т.В. Борщ, Л.Н. Прокофьева Учет тектонофизической теории в возникновении выбросов твердых ископаемых и пород в шахтах……………………………………..39 Н.И. Майбенко, Ю.А. Плотникова, Н.А. Васильева Улучшение микроклимата в горных выработках в условиях дефицита шахтной холодильной техники…………………………...…55 И.Ю. Голик Об установлении периодов повышенной травмоопасности шахтеров на основе данных о месяцах их рождения и травмировании…………………………………………………………...60 В.Е. Герасименко, О.Г. Кременев, В.Ю. Деревянский, И.Ю. Голик О нормативной базе по мониторингу радона на ликвидируемых угольных шахтах………………………………………………………...65 3

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Т.Я. Мхатвари, О.Г. Кременев, В.И. Мушенко, Н.Л. Мусатова Анализ нормативных документов по вопросам расследования и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах……70 А.Г. Радченко, Н.Н. Киселев, А.А. Радченко Региональные особенности формирования и проявления внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса………………….….…75 Н.А. Скачко Применение отходов производства вторичного алюминия для ускорения твердения бетона…………………………………………….80 А.С. Кныш, О.Л. Кизияров Оптимизация рабочих параметров пылеулавливающей эжекторной установки……………………………………………………………85 Н.Н. Киселев, А.Г. Радченко, Л.Н. Крижановская, А.А. Радченко Изменение напряженного состояния впереди действующей лавы на пологом угольном пласте…………………………………………....91 В.Ю. Деревянский Ранжирование причин травматизма на угольных шахтах методом ранговых коэффициентов……………………………………………….96 Н.Н. Киселев, Л.Н. Крижановская, А.Г. Радченко, А.А. Радченко Перспективные способы определения величины зоны разгрузки на пологих угольных пластах Донбасса………………………….…...101 В.Е. Перекутнев, В.В. Зотов Сравнительная оценка резинотросовых канатов……………….107 А.Р. Сабиров, Т.Н. Праздникова Определение трещиностойкости магистральных газопроводов методом сосредоточенного взрыва……………………………………112 П.С. Дрипан, И.Ф. Марийчук Устойчивость анкера при установке в породный массив под действием динамической нагрузки………………………………………..119 С.Ю. Приходько Совершенствование механизмов устойчивого функционирования ТЭК Донбасса…………………………………………………………..127 М.М. Андреев, А.М. Андреев, Н.И. Майбенко Основные положения теории «термодинамика» угленосного массива (ТУМ)……………………………………………………………...133

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве В.В. Заверюха Средства и способы тушения пожаров в тупиковых горных выработках…………………………………………………………………...138 К.А. Подвигин Анализ существующих средств и способов нормализации тепловых условий глубоких шахт…………………………………………...143 Н.С. Скляров, В.В. Шейн Повышение надежности горных машин……………………….153 Д.Ю. Бондарев, М.Э. Кочерова, М.И. Базыма, В.В. Шейн Переработка отходов с помощью пиролиза…………………...159 В.В. Лапин, Е.А. Сажченко, А.В. Курявая, В.В. Шейн Решение проблемы двигателей внутреннего сгорания……….165 В.М. Оверко, В.П. Овсянников Алгоритм определения оптимальных параметров закона изменения гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов водоотливной установки от гидравлических ударов………....171 И.В. Купенко К вопросу о повышении эффективности прогнозирования вывалообразований при проходке вертикальных стволов………..............182 А.Ю. Грицаенко, С.В. Борщевский, С.В. Кононыхин, И.В. Купенко Исследование технологических и динамических параметров бурения в зависимости от режимных для различных шарошечных долот……….................................................................................................190

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 699.841

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛАБЫХ ГРУНТОВ Т.Т. Абрамова Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия Новую природно-техногенную систему, обладающую улучшенными свойствами по сравнению с природной толщей грунта можно создать при использовании современных инновационных методов. Приведенные в работе методы уже широко используются в настоящее время при строительстве в сложных инженерногеологических условиях. A new natural and man-made system that has enhanced properties compared to the natural thickness of the soil can be created using modern innovative methods. The methods described in the paper are already widely used today during a construction in the difficult engineering and geological conditions. Ключевые слова: слабый грунт, упрочнение, инъекция, грунтоцемент, глубинное перемешивание. Keywords: weak soil, hardening, injection, soil-cement, deep mixing. Строительство новых зданий и сооружений в условиях тесной застройки, связанное с вмешательством в подземную среду, вызывает непосредственные изменения в этой среде, в том числе и на достаточно больших расстояниях от строящегося объекта. Поэтому для обеспечения безопасности при строительстве различных объектов все чаще используют различные методы технической мелиорации путем получения нового искусственного грунтового массива с заданными структурно-механическими свойствами. С.Д. Воронкевич выделяет две основные группы методов, включающих: 1) инъекционный процесс (инъекция с однородной пропиткой грунта; разрывная инъекция; уплотнительная инъекция; струйная технология); 2) метод глубинного перемешивания [1]. 1. Инъекционная пропитка грунтов осуществляется специально подобранными растворами, обладающими цементирующими возможностями. Такой характер распространения растворов предусматривает применение давлений инъекций ниже «критических», т.е. давлений, исключающих разрыв грунта. Именно для этого варианта внедрения раствора проведено разделение грунтов

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве на группы, в пределах которых эффективно применение тех или иных инъекционных рецептур. Результаты исследований по изменению степени сейсмической опасности для преобразованных лессовых грунтов по данным продольных и поперечных волн доказали снижение сейсмической интенсивности на 0,3-0,4 балла. Несмотря на то, что большое количество исследований по преобразованию широкого диапазона грунтов показали высокую эффективность метода инъекционной пропитки, он в последнее время используется значительно реже, чем более современные. Наибольшее распространение в практике инъекционных работ получила в последнее время разрывная инъекция грунтов. Она проводится с частичным или полным разрушением грунта, путем использования нагнетания под большим давлением заведомо неинъектабельных растворов в виде густых суспензий и вязких коллоидных систем. Полости разрыва рассматриваются в виде дополнительной поверхности инъектора. Разрывная инъекция с помощью манжетной технологии (ММТ) наиболее часто использовалась в сложных инженерно-геологических условиях СанктПетербурга при строительстве метро «Спортивная», «Адмиралтейская», «Новочеркасская». На различных объектах СанктПетербурга проведение ММТ позволило получить максимальные величины модулей деформации. Например, водонасыщенный пылеватый песок приобретал значения модуля деформации в интервале от 16,7 до 25 МПа при начальном – 10 МПа. Использование высоконапорной инъекции (ВНИ) в отличие от разрывной манжетной технологии предусматривает предварительное оконтуривание упрочняемого массива, позволяющее ограничить распространение инъекционного раствора в необходимой области. Широко известный в России метод, названный академиком В.И. Осиповым «Геокомпозит», использует оконтуривание замкнутого объема массива грунта двумя экранами – вертикальным и горизонтальным, в пределах которого создается «геокомпозит» [2]. В результате выполненных работ может произойти снижение балльности преобразованного массива грунта примерно на 2 балла. Иные схемы предварительного оконтуривания закрепленного объема грунта и другие технологические приемы создания закрепленного массива грунта в режиме гидроразрыва были предложены специалистами ООО НПЦ «Фундамент», Уральского ПромстройНИИпроект и др. Исследования большого количества ученых показали, что динамическое сопротивление после закрепления различных типов грунтов повышается в 1,5–2,7 раза, а сопротивление

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве при статическом зондировании – в 1,3–1,9 раз. Эти работы также подтвердили снижение балльности массива грунта. В основе струйной технологии лежит использование энергии струи жидкости для разрушения и перемешивания исходного природного грунта под давлением от 1 до 70 МПа. Она позволяет высокопроизводительно создавать грунтоцементные конструкции различных размеров и форм для всех типов грунтов. Анализ работ, проведенных А.Г. Малининым, П.А. Малининым, В.М. Улицким, А.В. Шахназаровым, А.Г. Шашкиным, С.Г. Боговым, И.М. Лебешевым, М.С. Засориным и др. на самых сложных объектах нашей страны, показал, что прочностные свойства материала грунтоцементных свай зависят от многочисленных факторов: гранулометрического состава грунта, водоцементного отношения раствора, количества цементного раствора на 1 п.м. сваи, скорости подъема монитора. В работе [3] приведены прочностные характеристики широкого спектра закрепленных грунтов. Данная технология была использована на многих объектах Санкт-Петербурга, Москвы, Перми, Казани и других городов. Яркими примерами использования струйной цементации, вошедшими в программу освоения подземного пространства Москвы, стали: укрепление грунтов при проходке Серебряноборского тоннеля, Алабяно-Балтийских тоннелей; строительство 3-го транспортного кольца и других объектов. Более подробно это освещено в работе [4]. 2. Увеличение несущей способности, снижение осадок и латеральных смещений грунта при динамических нагрузках, а также уменьшение воздействия вибрации от оборудования возможно и с помощью метода глубинного перемешивания (буросмесительного способа), основанного на размельчении в массиве, без выемки его на поверхность, специальным рабочим органом – буросмесителем (миксером) с одновременным введением вяжущих материалов и химических растворов. В качестве вяжущих чаще всего используются портландцемент и известь. Виды глубинного смешивания выделяют по типу применяемого связующего и по методу смешивания (сухое, влажное и др.). Метод мокрого смешивания (Wet mixing) наиболее часто используется в России. Водный раствор цемента как вяжущее считается более универсальным и подходит для грунтов любого типа. Вместо него можно использовать известь, золу, шлак и др. С помощью этого метода на месте устанавливаются грунтоцементные колонны, которые могут быть в диаметре от 40 до 120 см. Максимальная длина колонн достигает 25–30 метров.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Исследования большого количества специалистов-геотехников показали, что использование всех модификаций этого способа позволяет успешно обрабатывать практически все виды слабых и структурно-неустойчивых грунтов, в том числе слабоводопроницаемых, особенно находящихся ниже уровня грунтовых вод, независимо от типа напластования и других микроструктурных особенностей, а также глинистые грунты текучей консистенции, рыхлые водонасыщенные пески, заторфованные грунты. Например, скорость волны сдвига в слабой пластичной глине с высоким содержанием органики до ее укрепления составляет 40 м/с. За 41 день она увеличивается до 310 м/с и в дальнейшем – до 360 м/с. Максимальная величина модуля сдвига для закрепленного грунта при сдвиговой деформации 0,001% составила 255 МПа [5]. Выводы: ―Показано, что при проектировании и реализации методов глубинной обработки в сложных инженерно-геологических условиях самым необходимым является не только изучение свойств применяемых растворов, но и технологические особенности выполнения работ, зависящие от структурных, физических и химических свойств грунтовых условий. ―Геофизические способы контроля (зондирование, скважинная сейсмоакустика, сейсморазведочный метод поверхностных волн и др.) искусственно преобразованных грунтов продемонстрировали значительное улучшение физико-механических свойств грунтов, позволяющее снизить вибрацию до безопасного уровня. Перечень ссылок 1. Воронкевич, С.Д. Основы технической мелиорации грунтов: учеб. / С.Д. Воронкевич. – 2-е изд. – М.: Научный мир, 2005. – 504 с. 2. Осипов, В.И. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом «Геокомпозит» / В.И. Осипов, С.Д. Филимонов // ОФМГ. – 2002. – №5 С.15-21. 3. Малинин, А.Г. Применение грунтоцементных свай в городском строительстве / А.Г. Малинин // Пермские строительные ведомости. − 2001. − №4. − С. 22-27. 4. Абрамова, Т.Т. Современные методы управления свойствами грунтов на участках высоких динамических нагрузок / Т.Т. Абрамова, Е.А. Вознесенский // Геотехника. – 2015. – №4. – С. 6-25. 5. Массарш, К.Р. Деформационные свойства стабилизированных грунтовых колонн / К.Р. Массарш // Развитие городов и геотехническое строительство. − 2006. − № 10. − С. 158-175.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.8:622.23.05

АНАЛИЗ ТРАВМАТИЗМА И РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ БЕЗОПАСНОСТИ К ЗАБОЙНЫМ МАШИНАМ И КОМПЛЕКСАМ В.В. Диденко, Е.И. Советова, В.Ю. Деревянский, И.П. Горошко, В.П. Диденко ГУ «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности» (МакНИИ), г. Макеевка, ДНР Приведен анализ травматизма при эксплуатации машин и механизмов на предприятиях угольной промышленности Украины и Донецкой Народной Республики. На основе полученных результатов разработаны требования безопасности к забойным машинам и комплексам для включения в нормативный правовой акт. The analysis of injuries while operating machines and mechanisms at the enterprises of coal industry of Ukraine and Donetsk People’s Republic has been conducted. On basis of the results obtained the safety requirements for coal-face machines are developed to be included in regulatory legal act. Ключевые слова: анализ, опасный производственный фактор, забойные машины и механизмы, травматизм, требования безопасности. Keywords: analysis, hazardous production factor, coal-face machines and mechanisms, injury rate, safety requirements. Машины и механизмы – один из наиболее часто встречающихся опасных производственных факторов (ОПФ), приводящих к травмированию работников угольных шахт. Обзор ранее проведенных исследований по вопросу повышения безопасности эксплуатации шахтных машин и механизмов [1-3] показал, что статистические исследования и анализ происшедших несчастных случаев по этому фактору проводились более 30 лет назад. В связи с изложенным актуальной является разработка учитывающих статистику травматизма в угольной промышленности соответствующих требований безопасности, которые послужат основой для создания нормативного правового акта по охране труда «Забойные машины, комплексы и агрегаты. Нормативы по безопасности». Цель работы – разработка требований безопасности к забойным машинам и комплексам на основе анализа травматизма на данном оборудовании. Для достижения цели решены следующие задачи:

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве сбор и анализ информации о травматизме при эксплуатации машин и механизмов в отечественной угольной промышленности; разработка основных требований безопасности к забойным машинам и комплексам. Анализ динамики смертельного травматизма при эксплуатации машин и механизмов в угольной промышленности Украины за 20012013 гг. и Донецкой Народной Республики (ДНР) за 2014-2017 гг. (рис. 1) позволяет выявить колебания данного параметра по годам и характеризуется его общим устойчивым снижением. 25

Смертельный травматизм, чел.

23 (10,60%)

20 17 (5,78%) 17 (6,37%)

14 (5,22%) 14 (8,33%)

15 (9,93%)

13 (6,50%)

12 (7,45%)

11 (7,01%)

12 (9,92%)

12 (6,94%)

5 (4,95%) 7 (5,34%)

5 (11,11%)

2 (3,77%) 1 (12,50%) 0 2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

Годы

Рис. 1. Динамика смертельного травматизма в угольной промышленности по фактору «машины и механизмы» (удельный вес в общей структуре смертельного травматизма по всем ОПФ) Установлено, что фактор «машины и механизмы» занимает в распределении смертельного травматизма в угольной промышленности Украины за 2001-2013 гг. пятое место, а в угольной промышленности ДНР за 2014-2017 гг.– четвертое. Для представления картины состояния забойных машин, комплексов и агрегатов, установления причин несчастного случая и разработки мероприятий по его недопущению в будущем авторами был выполнен анализ материалов специального расследования несчастных случаев за указанный период. Всего было проанализировано около ста случаев травматизма, касающихся забойных машин. Анализ данных актов расследования несчастных случаев показывает, что травматизм происходит как по причине несоблюдения действующих требований,

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве так и по причине отсутствия отдельных требований к забойным машинам и комплексам. В результате анализа распределения смертельного травматизма по видам эксплуатируемых при этом машин установлено, что больше всего смертельных случаев происходит при эксплуатации такого, на первый взгляд, безопасного механизма, как скребковый конвейер. На втором месте – случаи при эксплуатации очистных (или выемочных) комбайнов. Далее по частоте следуют несчастные случаи при эксплуатации лебедок, механизированных крепей, насосных установок, проходческих комбайнов, бурильных установок, струговых установок, породопогрузочных машин, дробилок, штрекоподдирочных машин, конвейеростругов и других видов машин и механизмов. Таким образом, результаты анализа травматизма свидетельствуют о существенных проблемах в вопросе обеспечения безопасности при эксплуатации горных машин. Анализ материалов специального расследования несчастных случаев показал, что травматизм по причине «скребковый конвейер» связан с доставкой материалов (оборудования). Следовательно, скребковый конвейер должен быть обеспечен (оборудован) приспособлением для транспортирования материалов (например – складывающейся тележкой), а для исключения возможности управления конвейером случайным человеком необходимо предусмотреть управление и блокировку пусковой аппаратуры конвейера специальными мерами (например, с использованием магнитного ключа). На очистных или проходческих комбайнах наиболее высокий травматизм имеет место при замене режущего инструмента. По правилам безопасности машинист комбайна или его помощник обязаны разъединить штепсельную муфту на кабеле, механически отключить электродвигатель от редуктора, заблокировать кнопку «Стоп» комбайна, выключить разъединитель пускателя, выключить автоматический фидерный автомат. По причине неудобства или большой физической нагрузки все это не выполняется. Устранение данной проблемы может быть обеспечено тем, что проворот исполнительного органа должен осуществляться специальным устройством (допускается вручную с усилием не более 450 Н) без включения основных приводов (исполнительный орган, погрузочный орган и т.д.). Управление с пульта комбайна должно осуществляться с использованием специальных электрических замков, ключи от которых должны находиться только у машиниста комбайна или его помощника. В свою очередь, для исключения затягивания человека под комбайн система его безопасности должна быть обеспечена функцией контроля нахождения

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве человека в опасной зоне, что также актуально и для другого горношахтного оборудования (например, дробилок и др.). В системе перемещения с движителем на комбайне основным травмирующим фактором является цепь, а для комбайнов с вынесенной системой подачи – еще и приводная станция. Поэтому в данной системе должна быть предусмотрена функция контроля смещения приводной станции. Кроме того, предпочтительнее выемку угля производить комбайнами с бесцепной системой подачи как более безопасной. Имели место случаи, когда падение сторонних предметов на вынесенный пульт управления приводило к включению комбайна. В связи с изложенным кнопки «Пуск» на вынесенных пультах управления не должны быть выступающими. Также установлено, что забойное оборудование, имеющее открытые подвижные детали, не должно включаться без предупредительной сигнализации. Анализ травматизма показал, что движение негабаритов по конвейеру приводит к смещению, а иногда и к сбрасыванию комбайна с конвейера. Следовательно, комбайны с расположенным над ставом конвейера корпусом или порталом должны быть обеспечены функцией контроля негабаритов (оснащаться устройствами защиты от заклинивания негабаритных кусков угля и породы) и комплектоваться элементами, предотвращающими возникновение заклинивания или способствующими разрушению негабаритных кусков угля и породы. Далее по частоте несчастных случаев следует травматизм при эксплуатации лебедок, причиной чего является сбрасывание лебедки с установленного места при перегрузках в работе и затягивание в барабан посторонних предметов. Следовательно, конструкция лебедки должна предусматривать возможность ее надежного крепления для предотвращения смещения, а система управления лебедкой должна предусматривать функцию защиты от затягивания канатом в барабан лебедки посторонних предметов. При эксплуатации механизированных крепей имеются случаи включения функции «крепеспуск» вместо «крепеподъем». Для исключения подобных неправильных действий расположение органов управления должно топологически соответствовать расположению управляемых машин и их рабочих органов, направление движения приводного элемента органа управления должно осуществляться соответственно направлению движения управляемого элемента машины и устойчивому стереотипу управляющих движений человека. Надписи на рычагах и органах управления забойным оборудованием должны

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве быть хорошо видимыми и сохраняться весь срок эксплуатации. Демонтаж секций крепи следует выполнять канатами без промежуточных соединений с прицепным устройством заводского изготовления. Встречающиеся случаи затягивания одежды и конечностей работников подвижными (вращающимися) деталями забойных машин необходимо предупреждать установкой на расстоянии не менее 0,5 м от подвижных (вращающихся) деталей защитных ограждений, в т.ч. из сетки-рабицы с соответствующими размерами ячейки. Анализ травматизма на забойных машинах в отечественной угольной промышленности целесообразно продолжить и в дальнейшем для обеспечения их безопасности минимальным количеством защитных мер, повышения надежности и простоты использования. Выводы: 1. Количество случаев общего производственного травматизма в угольной промышленности по фактору «машины и механизмы» снижается, однако, удельный вес его в общей структуре травматизма по всем опасным производственным фактором занимает существенную долю. 2. На основе анализа материалов специального расследования несчастных случаев, касающихся забойных машин, комплексов и агрегатов, сформулированы требования к забойным машинам, комплексам и агрегатам, которые найдут отражение в разрабатываемом нормативном правовом акте по охране труда. 3. Выполнение данных требований позволит повысить безопасность конструкции забойных машин и комплексов, что приведет к снижению уровня производственного травматизма при их эксплуатации. Перечень ссылок 1. Романов П. Д. Направления совершенствования очистных комплексов / П. Д. Романов, Б. И. Грицаюк, Е. А. Волков // Безопасность труда в промышленности, 1975.– №11.– С. 30–31. 2. Аккерман Ф. М. Повышение безопасности забойных машин / В. П. Колосюк, Г. И. Капелюшников // Безопасность труда в промышленности, 1983.– №2.– С. 51–53. 3. Носов В. С. Пути повышения безопасности управления забойными машинами / В. С. Носов, Л. А. Муфель, В. В. Диденко // Безопасность труда в промышленности, 1984.– №1.– С. 53–54.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.834:622.268

МЕХАНИЗМ КЛИНООБРАЗОВАНИЯ – ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА НАРУШЕНИЯ КОНТУРА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В.А. Дрибан, Д.М. Хламов РАНИМИ МОН, г. Донецк, ДНР В настоящей статье сделан краткий обзор о состоянии изученности механизма клинообразования, приведен ряд случаев потери устойчивости горными выработками под воздействием клина вдавливания в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. In the present article the short review about a condition of study of the mechanism of wedge formation is made, a number of cases of loss of stability by mine workings under the influence of a cave-in wedge is given in the wide range of mining-and-geological and mining conditions. Ключевые слова: горные выработки, нарушение контура выработки, механизм клинообразования. Keywords: mine workings, contour breaking, the mechanism of wedge. Проблема повышения устойчивости горных выработок одна из наиболее актуальных современных проблем, стоящих перед горнодобывающей промышленностью. Большинство исследователей концентрируются на анализе внешних условий (глубина работ, угол падения, прочность пород, влияние соседних выработок и т.д.), которые без сомнения важны. Но при этом уделяется явно не достаточно внимания самому механизму потери выработками устойчивости. В работах многих исследователей опубликованы зарисовки и фотоснимки разрушенных выработок [1]. Анализируя условия и причины разрушения, исследователи, сосредотачивают внимание на общем состоянии рам, фиксируя лишь их максимальную просадку или величину деформации. При этом, как правило, не обращая внимания на решающую роль в потере выработками устойчивости клиноподобных породных структур, создающих практически точечную, сосредоточенную нагрузку на рамы основной крепи. С учетом того, что современные металлические рамные крепи рассчитаны на распределенную нагрузку, они оказываются не в состоянии успешно противостоять, формирующимся в приконтурном массиве породным клиньям. С массовым распространением в горной промышленности металлических рамных крепей, формирование клиноподобных структур на

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве контуре выработок в явной форме стало фиксироваться чаще. Увеличение случаев наблюдения указанного явления привело к появлению работ по его исследованию [1, 2], названного их авторами «образованием породных складок, вследствие расклинивающего эффекта». В упомянутых работах клиноподобное образование рассматривается как главная причина потери выработками устойчивости. Тем не менее, и в них нет описания механизма клинообразования, а так же упущена одна характерная особенность, присущая этому процессу. А именно, наличие центральной, осевой трещины, которые бывают двух видов: явная или сплошная – проходящая через все «элементарные» породные слои по одной линии; не явная – «элементарные» породные слои разрушаются в пределах некоторой осевой области, но с сохранением общего преимущественного направления смещений. На рис. 1 хорошо видны оба вида трещин: левая – не явная; правая – явная. Вероятно, первая достаточно успешная попытка описания самого механизма клинообразования отражена в работах [3], путем создания внутренне не противоречивой аналитической модели. Дальнейшие исследования механизма клинообразования методами численного моделирования [4] позволили описать данный механизм как реальный физический процесс, происходящий в приконтурном массиве, без типичных допущений об уменьшении прочностных характеристик горных пород в окрестности горной выработки. МКЭ расчеты полностью подтвердили гипотезу о значительной концентрации напряжений в очень малой области массива вблизи контура горной выработки как главной причины процесса клинообразования. Так же для описания указанного процесса авторам не понадобилось прибегать к помощи гипотетических эффектов расклинивания и самозаклинивания. В качестве примера можно привести полевой групповой штрек пластов c8в и c8н, шахта Западнодонбасская, ГХК Павлоградуголь [5]. Штрек пройден на глубине 500 м, закреплен арочной податливой крепью (рис. 1). Автор приводит снимок и характеризует его как типичный вид разрушения пород вокруг горных выработок. Еще один пример. Трест Куйбышевуголь, шахта №13 «НикопольМариупольская», западные уклон и ходок пласта k8. Выработка закреплена замкнутыми перевернутыми арками, глубина 205-260 м, охранялась угольными целиками. На участке расположенном под целиком угля на вышележащем пласте наблюдалось пучение почвы до 0,6 м с деформацией нижних сегментов арок (рис. 2). Характер деформирования нижнего сегмента аналогичен деформированию рам при образовании клина в кровле.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 1 – Разрушен группового полевого штрека при формировании клина вдавливания

Рис. 2 – Состояние наклонных выработок пласта k8 По архивным источникам удалось надежно идентифицировать более сорока таких случаев. Наиболее ранние из установленных случаев относятся к 50-м годам прошлого столетия. Установленные случаи нарушения контура выработок при образовании клина вдавливания охватывают весьма значительный диапазон горно-геологических и горнотехнических условий: глубины от

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве 300 до 1000 м и более; углы падения пород от 0 до 50-60°; вынимаемая мощность пласта от 0,5 до 2 м; угол наклона выработки от 0 до 20°; различные способы охраны и плотности установки рам основной крепи, различные способы проходки и др. В перечисленных условиях эксплуатируются практически 100% горных выработок угольных шахт Донецкого бассейна. При этом в список случаев попали горные выработки самого различного назначения. Хотя большинство – это участковые пластовые штреки, но встречаются и полевые групповые штреки, и наиболее тщательно охраняемые выработки с длительным сроком службы, как то панельные уклоны, наклонные стволы и квершлаги. Без сомнения, зона временного опорного давления, связанная с ведением очистных работ, является мощным фактором, провоцирующим образование клина вдавливания. Тем не менее, данный фактор не всегда оказывается достаточным и точно не единственным, так как в ряде установленных случаев выработки не подвергались прямому влиянию очистных работ. В ранних установленных случаях образования клина вдавливания кровля выработок всегда слагалась традиционно наименее прочными породами в Донбассе (если не считать углей) – глинистыми сланцами (аргиллитами). Со временем и соответствующим увеличением глубины расположения выработок, склонность к клинообразованию начали проявлять и более прочные песчаные сланцы (алевролиты), а также кровли, состоящие из достаточно тонких слоев различных пород (рис. 1). Таким образом, для образования клина вдавливания, кровля выработки должна представлять собой достаточно слабый (в прочностном отношении) в конкретной сложившейся геомеханической обстановке массив с четко выраженной слоистой структурой. Еще одним общим моментом являются значительные деформации металлических рамных крепей, вплоть до разрушения, даже при относительно незначительных смещениях пород внутрь контура выработки. При этом, как видно из приведенных рисунков, податливые элементы, предусмотренные в конструкции рам, не срабатывают. Это объясняется тем, что на рамы современных крепей рассчитаны на распределенную нагрузку. В то время как при образовании клина вдавливания на них оказывается весьма значительное давление на узком участке, которое можно в ряде случаев охарактеризовать как точечное. Выводы 1. Имеются достаточные основания для предположения, что механизм формирования клина вдавливания – это не частное явление, иногда происходя-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве щее в специфических условиях или при редком совпадении неблагоприятных факторов, а один из фундаментальных принципов поведения горного массива. 2. Склонность к клинообразованию определяют различные факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние горного массива, такие как зоны временного опорного давления при ведении очистных работ и стационарные зоны ПГД от краевых частей и целиков. Таким образом, поиск практического критерия склонности приконтурного массива к клинообразованию имеет смысл сосредоточить в области соотношения величины горного давления, определяемой конкретной геомеханической обстановкой, и прочностных характеристик вмещающих выработки пород. 3. Процесс пучения почвы также часто происходит путем формирования клина вдавливания. Хоть в большинстве случаев, сам по себе, он не оказывает разрушительного воздействия на устойчивость горных выработок, но приводит к необходимости выполнения большого объема работ по восстановлению сечения и эксплуатационных характеристик (подрывке почвы, перестилке рельсовых путей и т.д.) выработок. 4. Клинья вдавливания в почве горных выработок, как правило, имеют асимметричный вид. 5. Современные металлические податливые крепи любых конструкций (по крайней мере, из известных авторам) не в состоянии противостоять данному явлению без применения дополнительных мероприятий. Среди таковых, авторам представляются наиболее рациональными два типа: укрепление локальных областей приконтурного массива анкерами или путем инъектирования связывающих растворов; перераспределение напряжений в приконтурном массиве путем создания полостей ослабления (разгрузочных щелей или шпуров). В отдельных случаях, при неэффективности других методов, может оказаться рациональным разупрочнение массива, с целью обеспечения более равномерной нагрузки на рамы крепи. Перечень ссылок 1. Александров, С.Н. Исследование в лабораторных условиях поведения вмещающих подготовительную выработку пород на образцах в режиме саморасклинивания / С.Н. Александров // Проблеми гірського тиску. – Донецьк: ДонНТУ, 2002. – № 7. – С. 41–50. 2. Назимко, В. В. Механизм сдвижений пород в окрестности полевой выработки / В.В. Назимко // Уголь Украины. – 1988 – № 10. – С. 8 – 9. 3. Дрибан, В. А. Об одном пути потери устойчивости горной выработки / В.А. Дрибан // Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАНУ.– Донецьк, 2010. – № 9 (частина I) – С. 309 – 335. 4. Дрибан, В. А. Потеря устойчивости горной выработки при формировании клина вдавливания / В.А. Дрибан, Д.М. Хламов // Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАНУ.– Донецьк, 2016. – № 17 – С. 16 – 32. 5. Халимендик Ю.М. Разработка и обоснование научно-технических решений поддержания горных выработок и увеличения полноты выемки угля в условиях слабометаморфизованных пород: Дисс. д-ра техн. наук, 05.15.02; 05.15.11. – 1997. – 335 c.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

УДК 534-16:622.67:69.058.8

ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ. В.М. Погибко, В.Ф. Раков, ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», г. Донецк О.А. Демченко ГУ «МакНИИ», г. Макеевка В работе рассматриваются результаты акустических исследований при виброакустическом контроле деталей горно-шахтного оборудования по методу собственных частот. The paper discusses the results of acoustic studies in vibroacoustic monitoring of mining equipment parts using the natural frequency method. Ключевые слова: виброакустический контроль, частота, метод. Keywords: acoustic control, frequency, method. Предупреждение аварийных ситуаций при эксплуатации подъемных устройств угольных шахт является актуальной задачей. Причиной аварийного разрушения конструкций являются возникновение усталостных изменений материала при их длительной эксплуатации и запредельные динамические нагрузки. Достоверную и надежную информацию о нагруженном состоянии и возможных дефектах конструкции объекта можно получить путем частотного анализа создаваемых внешним источником акустических колебаний. Современные методы виброакустического контроля основываются на определении спектра собственных частот объекта и мониторинге его изменений [1]. Одним из основных показателей работоспособности конструкции является отсутствие усталостной трещины в металле детали. Если на контролируемую деталь воздействовать ударом извне, то в ней возникают свободные колебания. Частота этих колебаний определяется инерционно-упругими параметрами детали, которые в свою очередь зависят от физической однородности материала. Это может быть сигналом для последующей дефектоскопии детали в местах действия наиболее опасных напряжений [2]. В интегральном методе собственных частот, использующим свободные колебания объекта, в детали ударом возбуждают затухающие виброакустические колебания. Эти колебания принимаются пьезоприемником, сигналы передаются на компьютер, где с помощью про-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

граммного обеспечения анализируются полученные спектрограммы [3]. На основании исследований акустических свойств элементов конструкций подвесных устройств шахтного подъема необходимо было определить резонансные частоты и установить их зависимости от величины напряжений. Задача заключалась в установлении закономерностей изменения собственной частоты продольных колебаний от величины нагрузки на деталь. Попутно определялись возможности пьезопреобразователя принимать слабые виброакустические колебания, т .е. чувствительность. Для предварительных исследований был выбран стальной круг длиной l = 283 см, диаметром d = 4,45 см, из стали ХН40 с динамическим модулем Юнга Ē = 1,989∙106 кГс/см2, свободная длина стержня в станине lсв = 252 см масса стержня m = 30,33 кг, свободная масса стержня mсв = 27,11 кг. Исследования проводились вместе со специалистами отдела газодинамических явлений и отдела рудничного транспорта и подъема ГУ «МакНИИ». Использовалась система акустического контроля состояния угольных пластов «Геофон» конструкции ГУ «МакНИИ». Виброкустические характеристики стального эталонного стержня исследовали эхо-импульсным методом в свободном состоянии и при установке стержня в захваты разрывной машины c увеличением нагрузки. Спектрограммы приведены на рисунке 1.

Нагрузка 5 т Нагрузка 10 т Рис. 1 – Спектрограммы испытаний, когда датчик в торце, удар сверху вблизи крепления стержня в станине разрывной машины. В соответствии с теорией собственных акустических колебаний, с увеличением растягивающей нагрузки, действующей на стержень, частота собственных продольных колебаний должна увеличиваться. Этот эффект наблюдается на спектрограммах по смещению трех самых высоких резонансных пиков в область более высоких частот в полном соответствии с теорией струны.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Исследования акустических свойств тяги шахтного подъема в статических режимах нагрузок проводились при приеме сигнала от специально разработанного нами пьезопреобразователя (далее ПЭП) на звуковую плату SigmaTel_STAC 9200 ноутбука Dell-Inspiron 15.01, как это показано на рисунке 2. Для построения и анализа акустических спектров использовались свободно распространяемое программное обеспечение - программы Spectrogram версии 16 и Audacity 2.2.2 Manual, содержащих для построения спектрограмм быстрое преобразование Фурье (БПФ). Наиболее высокая воспроизводимость и достоверность результатов БПФ была получена для интервала экспозиции виброакустического сигнала от 0 до 25 mS.

Рис. 2 – Тяги большого и малого типоразмеров и аппаратура виброакустической диагностики. ПЭП закрепляли постоянным магнитом на большой галтели тяги, удар наносили параллельно в точке, находящейся на расстоянии 28,5 см от центра ПЭП. Выход ПЭП подсоединяли через разъем микрофона к звуковой плате ноутбука и в момент начала записи волнового пакета наносили удар с помощью специального ударного механизма. Можно подобрать такое расстояние между точкой закрепления конструкции (фиксаторы) и точкой удара – l, которому соответствует наиболее удобная для измерения аппаратурными средствами частота собственных поперечных колебаний с максимальной амплитудой. Если длина цилиндра значительно превосходит его диаметр – d, то на акустических спектрах расстояниям будут наблюдаться триплет частот ν1i , ν2i и ν3i. Результаты исследований закономерности влияния нагрузки – F на значение собственной частоты продольных колебаний – ν тяги представлены в таблице 1 и на рисунке 3.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

F, тонн νэксп cр Гц νтеор.1 Гц

Таблица 1 – Зависимость частоты колебаний от нагрузки. 0 1 2 3 4 5 6 8586 8742 8867 8957 9001 9031 9071 8579 8785 8870 8936 8991 9039 9083

Рис. 3. График зависимости частоты собственных продольных колебаний от приложенной к тяге растягивающей нагрузки. На рисунке 4 стрелками отмечен триплет собственных продольных колебаний.

а б в Рис. 4. Осцилограммы акустических откликов, полученные с помощью программы Audacity 2.2.2 Manual, при различных нагрузках. Растягивающая нагрузка F, тонны: а) F = 0; б) F = 4; в) F = 6.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Пик акустической частоты под номером 3 соответствует частоте в таблице 1. Важным представляется установленная закономерность уменьшения относительного расхождения величины экспериментальных измерений с теоретически расчетными при увеличении нагрузки. Наиболее удобными для измерения являются частоты находящиеся в пределах 2 – 10 кГц. На основании теории сопротивления материалов [4] и теории струны нами получена зависимость продольной частоты колебаний конструкции от растягивающей нагрузки: 1

1 F 2   ,  s   0  1,7671  10  k d  l    4

где

ν0 – собственная резонансная частота, гц; l – длина, см, d – диаметр круглого образца, см; ρ – плотность среды, г/см3; k – номер гармонии, k = 1, 2, 3,….

Выводы: 1. Созданные ПЕП на базе пьезоэлементов из материала, аналогичного ЦТС46, который был разработан ранее в «НИИ «Реактивэлектрон», имеют высокую чувствительность. ПЭП из сегнетомягкого пьезоматериала сохраняют высокий уровень пьезосвойств при температурах до 340°С и могут быть использованы для изготовления любых пьезопреобразователей, включая датчики шахтного оборудования. 2. Как основной метод виброакустического неразрушающего контроля конструкций подвесного устройства может быть принят эхоимпульсный метод, когда в контролируемой детали возбуждают собственные упругие акустические колебания, регистрируют и анализируют их параметры. При увеличении растягивающей нагрузки частота собственных продольных колебаний детали также увеличивается (эффект струны). 3. Регистрация всех акустических сигналов и сохранение их в базе данных должны проводиться по единой методике, при одинаковом способе крепления ПЭП. Перечень ссылок 1. Балицкий Ф.Я. / Ф.Я. Балицкий, М.А. Иванов, А.Г. Соколова. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов.– М.: Наука, 1984. – 114 с. 2. Шахтный подъем: Научно-производственное издание / Бежок В.Р. и др..; общ. ред. Б.А. Грядущий. – Донецк: ООО «Юго-Восток Лтд», 2007г. – 624 с. 3. Спиридонов Н.А. Методы собственных частот виброакустического контроля в горной и строительной отраслях / Н.А. Спиридонов, В.Ф. Раков, В.М. Погибко. IV Международный Научный форум Донецкой Народной Республики. В сб. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. Т.1. // – Донецк: «Донецкая политехника». 2018. – C 46-50. 4 Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. Изд. 8. – М.: Гос. Изд. Технико-теоретической литературы, 1953. – 856 с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

УДК 534.1:622.861:69.058.8

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ КОНСТРУКЦИЙ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК И.Л. Сидак, В.М. Погибко, ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», г. Донецк О.А. Демченко ГУ «МакНИИ», г. Макеевка В работе рассмотрен эхоимпульсный метод интегральной дефектоскопии конструкций повышенной опасности шахтных подъемных устройств. Метод основан на анализе закономерностей затухания акустических колебаний, возбужденных в материале конструкций импульсным ударом малой мощности. An echo technique of the integral defectoscopy of increased danger constructions of mine lifting devices was considered in this work. The technique is based on the analysis of regularities of the acoustic oscillation damping excited in the construction material by the lower-power pulsed impact. Ключевые слова: эхоимпульсный метод, акустическая добротность, модуль Юнга, интегральная дефектоскопия. Keywords: echo technique, acoustic Q factor, Young modulus, integral defectoscopy. Одной из основных причин разрушения металлических конструкций является необратимая потеря прочности поликристаллического материала из-за межзеренной коррозии, особенно в условиях агрессивной среды. Цель работы – разработка метода мониторинга необратимых изменений материала конструкций устройств сосудов шахтных подъемных установок, в процессе их эксплуатации. Следуя подходу, изложенному в [1], поликристаллический материал рассматривается как композиционный материал, состоящий из двух компонентов: зерен и разделяющих их протяжённых границ. Величину модуля сдвига такого композиционного материала можно найти по уравнению: G  Gg  c

G



 xGb G g  Gb G g 1  x 

,

x  0,51  3 4  5 b  ,

где G, Gg, Gb – модули сдвига поликристаллического материала, зерна и межзеренных протяженных границ соответственно;

(1)

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

c – объемная доля границ раздела; μb – коэффициент Пуассона материала границы раздела. По определению модуль Юнга поликристаллического материала связан с модулем сдвига уравнением [2]: E  21     G

По мнению большинства специалистов в области материаловедения основной первопричиной, приводящей к аварийному разрушению конструкций, особенно работающих в условиях знакопеременных нагрузок, является межзеренная коррозия материала конструкции [3]. При длительной эксплуатации конструкций в следствие межзеренной коррозии изменяется не только объемная доля границ раздела, но и свойства самого материала границ, например, в результате окисления. Таким образом, о степени дефектности конструкции можно судить по уменьшению значения модуля Юнга материала. Интегральными характеристиками степени дефектности является логарифмический декремент затухания акустических колебаний или связанные с ним добротность акустической колебательной системы и время релаксации. Элементы конструкций подвесного устройства подъемного сосуда шахтных подъемных установок с размером элемента сравнения (стержень на галтели тяги) l = 13,5 см, представлены на рис. 1.

Рис. 1 – Элементы конструкций подвесного устройства подъемного сосуда шахтных подъемных установок Материал тяги – сталь типа ХН40 с характеристиками: модуль Юнга Ē = 1,989∙106 кГс/см2 = 1,989∙1010 Гс/см2 (195 ГПа), плотность ρ = 7,8 г/см3.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Геометрические размеры. Тяга большого типоразмера: длина l = 83 см; длина цилиндрической части lц = 31,5 см; диаметр dц = 6,4 см. Тяга малого типоразмера: l = 65 см; lц = 34 см; dц = 4,5 см. Методика исследований заключается в следующем. Макет пьезодатчика ПЭП-2, конструкции ГУ «НИИ «Реактивэлектрон», закрепляли постоянным магнитом на цилиндрической части возле большой галтели тяги, удар наносили безынерционным ударником параллельно датчику [4]. Исследования процессов затухания акустических волн в бездефектной и дефектной тяге проводили с помощью звуковой платы SigmaTel_STAC 9200 на ноутбуке Dell-Inspiron 15.01. Обработку волновых файлов проводили методом БПФ с помощью программы Audacity 2.2.2 Manual. Для уменьшения отраженных и фоновых шумов при анализе волновых файлов методом БПФ для интегральной дефектоскопии интервал экспозиции волнового спектра составлял Δτ = 5 – 75 mS. Результаты исследований представлены на рис. 2.

Спектр затухания аку- Спектр затухания акустических колебаний стических колебаний дефектной тяги при расположении датчика a новой бездефектной – со стороны дефекта, b – с бездефектной тяги стороны Рис. 2. Спектры затухания акустических колебаний тяг шахтных подъемных устройств. Обращает на себя внимание симбатность кривых акустических спектров новой и дефектной тяги и существенное отличие спектров дефектной тяги, полученные со стороны трещины и с противоположной от трещины стороны. Затухание акустических волн бездефектной и дефектной тяги фиксировали с помощью звуковой платы SigmaTel_STAC 9200. Рас-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

четное время релаксации бездефектной тяги составляло τp = 7,407 mS, а для дефектной тяги – τp = 14,074 mS. Прямое сравнение акустических характеристик различного типоразмера некорректно. Сравнительную оценку времени релаксации для геометрически подобных конструкций, изготовленных из одинакового материала можно проводить исходя из предположения, что:  p  J y  Idem

где Jy – момент инерции. Потеря колеблющейся мощности за время релаксации равна: W p  A0

 sh  S p

где A0 – начальная амплитуда колебаний, дБ; S – продольное сечение; ηsh – ударная вязкость. Потеря мощности за период составляет:  T 

W p

t

где νt – резонансная частота собственных продольных колебаний. Для бездефектной тяги большого типоразмера νбт = 4346 Гц, для дефектной тяги νдт = 2388 Гц. Кинетическая энергия удара, рассчитанная по методике [5], составляла Тsh = 4375 Дж. По определению добротность – отношение колеблющейся мощности к ее потери за период: Q

Tsh

 T

Оценка значений добротности для бездефектной и дефектной тяги малого размера: Qб = 405,6∙А0 и Qд = 139,8∙А0. Таким образом, в дефектной тяге добротность уменьшилась в 2,9 раза. Динамический модуль Юнга можно определить из соотношения:   l2   E    1424,6 

(2)

Ēбт = 1,9885∙106 кГс/см2, Ēдт = 1,9874∙106 кГс/см2. Значение динамического модуля Юнга материала тяги со стороны противоположной трещине Ēбэ = 1,3001∙106 кГс/см2. Потеря прочности составляет 35%! Значение динамического модуля Юнга материала тяги со стороны трещины Ēдэ = 1,176∙106 кГс/см2. Потеря прочности составляет 40,8%! Анализ уравнений (1, 2) позволяет оценить параметры состояния границ зерен поликристаллического материала.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Выводы: 1. Пьезоэлементы и пьезодатчики разработанные в ГУ «НИИ «Реактивэлектрон» обладают высокой чувствительностью и могут быть рекомендованы для использования в промышленных системах мониторинга нагруженного состояния и интегральной дефектоскопии конструкций повышенной опасности. 2. Разработан метод контроля интегральных характеристик дефектности и необратимых изменений материала конструкций по экспериментально полученным характеристикам логарифмического декремента затухания акустических колебаний. 3. Экспериментально показано, что разработанная система мониторинга состояния конструкций позволяет получать достоверную информацию об изменении дефектности конструкций в процессе их эксплуатации. Перечень ссылок 1. Kocks U.F. The relation between polycrystal deformation and single crystal deformation / U.F. Kocks. Metal. Trans. 1970. – Vol. 1. – № 5. – P. 1121-1143. 2. Гуткин М.Ю. Дефекты и механизмы пластичности в наноструктурных и некристаллических материалах / М.Ю. Гуткин, И.А. Овидько. – Санкт-Петербург: Янус, 2000. – 178 с. 3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т 3.: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.И. Ланге. – М.: Машиностроение, 2004. – 864 с. 4. Спиридонов Н.А. Методы собственных частот виброакустического контроля в горной и строительной отраслях. / Н.А. Спиридонов, В.Ф. Раков, В.М. Погибко. IV Международный Научный форум Донецкой Народной Республики. В сб. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. Т.1. // – Донецк: Донецкая политехника, 2018. – C 46-50. 5. Кильчевский Н.А. Теория соударения твердых тел / Н.А. Кильчевский – К.: Наукова думка, 1969. – 246 с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622

ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ КАДРОВ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА И.В. Устименко ГПОУ «Донецкий транспортно-экономический колледж», г.Донецк, ДНР Объект: внедрение в образовательный процесс при подготовке специалистов среднего звена новых форм переподготовки и обучения профессиям. Обоснована целесообразность внедрения в образовательный процесс новых форм переподготовки и обучения профессиям (по профилю специальности). Object of development the introduction of new forms of retraining info the educational process in the training of mid-level specialists and training for professions. The expediency of introducing new forms of retraining professions into the educational process is justified. Ключевые слова. Подготовка кадров; добыча полезных ископаемых; курсы повышения квалификации горных мастеров, курсы бригадиров комплексных бригад. Keywords. Personal training, mining professional skills improvement, courses for mining masters, courses for foremen of complex brigades. Вот уже несколько лет подготовка специалистов среднего звена по специальности 21.02.17 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых в ГПОУ «Донецкий транспортно-экономический колледж» осуществляется в соответствии с новым стандартом, в котором воплощены современные представления о требованиях к конкурентоспособным специалистам на рынке труда, учтен мировой опыт подготовки специалистов, теоретическое обучение тесно увязано с различными видами практик. Огромная работа проделана коллективом разработчиков примерных программ профессиональных модулей ПМ.01 Ведение технологических процессов горных работ, ПМ.02 Контроль за безопасностью ведения горных и взрывных работ, ПМ.03 Организация деятельности персонала производственного подразделения. Создание такого всеобъемлющего базового документа позволяет выстроить стройную систему подготовки студентов по специальности 21.02.17 Подземная разработка месторождений полезных ископаемых в ГПОУ среднего профессионального образования Донецкой Народной Республики.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Подготовка специалиста для горной отрасли – это сложный многогранный педагогический процесс, в результате успешного завершения которого выпускник должен быть готов к выполнению целого ряда задач в различных сферах профессиональной деятельности. В сфере производственной и технологической - осуществлять техническое руководство работой по обеспечению функционирования оборудования и систем горного производства; разрабатывать нормативную документацию для организации горных и взрывных работ, а также работ, связанных с переработкой и обогащением полезных ископаемых, сооружением и использованием подземных коммуникаций, оборудования. Самостоятельное составление проектов и паспортов горных и буровых работ также является неотъемлемой частью работы. Важная роль отводится реализации мероприятий по охране труда, по увеличению экологической безопасности горного дела и рациональному использованию недр. В организационно-управленческой деятельности выпускнику нужно быть готовым к организации трудового процесса в коллективе, иметь навыки анализа и оценки действий подчиненных, принятия управленческих решений, мер по повышению эффективности производства. Заканчивая колледж по данной специальности, выпускник должен иметь представление о научно-технических проблемах и развитии подземной разработки, о главных тенденциях изменений условий использования горного и транспортного оборудования, о методах технического и экономического анализа и принятия инженерных, управленческих решений. Подготовка кадров для современного высокотехнологичного горного производства требует, помимо квалифицированного преподавательского персонала, развитой учебно-лабораторной и информационной базы учебного заведения. ГПОУ «Донецкий транспортно-экономический колледж» обладает уникальным действующим горным оборудованием, которое размещено в нескольких корпусах и на горном полигоне. Учитывая общность задач по воспроизводству кадрового потенциала горной промышленности, а также высокую стоимость создания современных полигонов и лабораторий, для более эффективного использования дорогостоящего оборудования на базе колледжа целесообразно было бы создать центр коллективного пользования, доступный для учащихся горных училищ, профильных техникумов и колледжей, других заинтересованных организаций. Такой подход соответствует концепции ступенчатого профессионального обучения и мог бы стать наглядным примером поистине государственного отношения к материальнотехнической базе образовательных учреждений.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве В процессе профориентационной работы преподаватели горных дисциплин колледжа изучали опыт взаимодействия образовательных учреждений ДНР и Российской Федерации с работодателями, общались с руководящими работниками профильных предприятий - шахт, обогатительных фабрик. Развитие системы профессионального образования необходимо рассматривать как неотъемлемую часть программы развития горной отрасли в целом. Считаем целесообразным принять на вооружение опыт включения в программы подготовки специалистов среднего звена отдельных факультативных курсов, актуальных для работодателей; совместное формирование тематики курсовых и дипломных работ студентов; участие специалистов горнодобывающих предприятий в работе государственных аттестационных комиссий по итоговой аттестации студентов. Одним из возможных направлений взаимовыгодного сотрудничества было названо проведение курсов повышения квалификации горных мастеров добычных и проходческих участков, курсов бригадиров комплексных бригад с целью повышения эффективности организации производства в условиях ухудшения горно-геологических условий добычи угля. Необходимость переподготовки горных мастеров для работы на участках ВТБ обусловлена применением в последние годы новых приборов контроля состава рудничной атмосферы, применения альтернативных способов дегазации горных выработок, внесения существенных изменений в область охраны труда горняков. Следует обратить внимание на разработку и внедрение дистанционных и модульных форм подготовки рабочих для горной промышленности, разработку и внедрение новых профилей профессионального обучения профессиям (специальностям), востребованным в промышленности (например, специалистов по извлечению и использованию метана угольных пластов). Не должны образовательные учреждения среднего профессионального образования остаться в стороне и от системы повышения квалификации кадров, занятых в горной промышленности, включая подготовку предложений и введение законодательной нормы об обязательном повышении квалификации специалистов и руководителей организаций горной промышленности. Таким образом, можно сделать вывод, что назрела необходимость корректировки законодательства с целью стимулирования горнодобывающей отрасли к вложению средств в развитие своего кадрового потенциала, финансирование обучения и переподготовки кадров.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Безусловно, нам следует обратиться к опыту Российской Федерации, где утверждена правительством Долгосрочная программа развития угольной промышленности России до 2030 года [1]. Частью этой программы является подпрограмма «Совершенствование системы профессиональной подготовки кадров для угольной промышленности» [2], имеющая целью последовательное формирование и развитие системы подготовки и переподготовки кадров для угольной промышленности. Выполнение разработанных мер позволит обеспечить потребности отрасли в кадрах при реализации в перспективе профессиональноквалификационных стандартов социально-трудовых отношений с учетом осуществляемой модернизации производства и развития социально ориентированного партнерства. Перечень ссылок 1. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России до 2030 года.-М.: ЗАО «РОСИНФОРМУГОЛЬ», 2014 2. Подпрограмма «Совершенствование системы профессиональной подготовки кадров для угольной промышленности», Распоряжение Правительства РФ от 24.01.12г. № 14-р.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831: 546.294

МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ РАДОНОВЫДЕЛЕНИЯ НА ЛИКВИДИРУЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ О.Г. Кременев Государственное учреждение Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, г. Макеевка, ДНР Приведена методика контроля радоновыделения на ликвидируемых угольных шахтах различных стадий затопления РП «Донбассуглереструктуризация». A method of controlling radon emission at liquidated coal mines at various stages of the flooding of the RP «Donbassuglerestrukturizatsiya». is presented. Ключевые слова: ликвидируемая шахта, радон, контроль, методика, угольная промышленность. Keywords: mine being liquidated, radon, control, methods, coal industry. Одной из проблем безопасности угольных шахт, является проникновение шахтных газов (в том числе радона) на земную поверхность в пределах горного отвода шахты. При этом газовыделение на земную поверхность происходит как на действующих, так и ликвидируемых угольных шахтах и часто остается на сравнительно высоком уровне в течении длительного времени (иногда десятки лет) [1]. Процесс выделения шахтного газа на земную поверхность для действующих угольных шахт изучен достаточно хорошо. Имеется значительное количество теоретических и экспериментальных исследований по метану и углекислому газу, посвященных данной проблеме. Однако для закрывающихся и ликвидируемых угольных шахт системных исследований, связанных с выделением радона на поверхность горного отвода шахты и рабочие помещения технологического комплекса поверхности (ТКП) шахты, не проводилось. Установлено, что радон образуется в горных выработках угольных шахт, вследствие наличия естественных радионуклидов (ЕРН) уранового и ториевого рядов в массиве горных пород. Наряду с метаном, углекислым, угарным и другими газовыми компонентами рудничной атмосферы, радон негативно воздействует на организм человека, поэтому контроль радоновыделения актуальная задача

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве безопасности угольных шахт. Цель доклада – представить методику для исследования наличия и динамики поступления радона на поверхность ликвидируемых угольных шахт. Методика исследований заключалась в том, что на поверхности ликвидируемых шахт и в подвальных пространствах рабочих помещений ТКП, а также в местах выхода шахтного газа на поверхность горного отвода шахты проводились измерения поступления радона в зависимости от степени затопления горных выработок. Для наблюдения были выбраны три ликвидируемые шахты, затопляемые шахтными водами и работающие в режиме водоотливных комплексов (ВОК). Ранее эти шахты в ранге действующих входили в состав ГП «Макеевуголь». Первая: шахта им. А.Б. Батова ‒ характеризуется тем, что на сегодняшний день она практически полностью затоплена шахтными водами (100 м от поверхностного перекрытия ствола №5 до уровня воды в стволе, ранее служившим воздухоподающим стволом). Вторая: шахта им. В.И. Ленина ‒ характеризуется большой глубиной ведения горных работ (более 900 м.). В настоящее время она затоплена шахтными водами до отметки порядка 700 м. и процесс затопления продолжается. Третья: шахта «Советская» ‒ характеризуется средней для Донбасса глубиной ведения горных работ и затопления (затоплена до отметки 400 м, имеет сеть незатопленных подземных выработок, воздухоподающий и вентиляционный стволы). На всех выбранных шахтах проводится мониторинг радона в стволах и подвальных рабочих помещениях ТКП, местах выхода шахтного газа на земную поверхность (определенных геологами шахт), где работники группы газового контроля (ГГК) РП «Донбассуглереструктуризация» регулярно проводят измерения метана и углекислого газа. В единой аналитической системе радиационного контроля унифицированы методы измерений количественных характеристик радона в силу самых разнообразных подходов к выбору объектов, измеряемым величинам и средствам измерений, что неизбежно вызывает трудности в обеспечении единства измерений [2]. Одни специалисты считают, что полезную информацию об экологическом состоянии среды несет концентрация радона в воздухе (почвенном и атмосферном), другие - что такую информацию дает плотность потока. Одни полагают, что только интегральные характеристики

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве наиболее информативны, другие - что можно ограничиться «мгновенными» измерениями. Для измерений количественных характеристик радона используется большое число приборов: ионизационные камеры, альфа-радиометры, устройства для сорбции радона и т. д., которые в целом отражают концепцию исследователей, основанную на их представлениях об источниках и носителях необходимой информации. Проведенный обзор методов и технических средств измерения радона на земной поверхности позволил разработать методику проведения измерения радона на земной поверхности ликвидируемой угольной шахты. Методика включает два варианта измерения радона. Первый вариант – измерение радона в нормальных условиях окружающей среды с помощью радиометра естественных радиоактивных аэрозолей. Второй вариант – измерение радона в производственных помещениях ТКП шахты, включая подвальные помещения в условиях взрывоопасной шахтной атмосферы. Для измерений радона в потенциально взрывоопасной среде был выбран радиометр эквивалентной равновесной объемной активности радона РГА 09МШ во взрывобезопасном исполнении [3]. Для проведения измерений радона в подвальных производственных помещениях выбрана методика, регламентируемая [4]. Возможность оценки радиационной опасности от радона при его воздействии на человека на поверхности и в производственном помещении ликвидируемой шахты, а также возможность расчета дозы облучения регламентируется следующими физическими величинами: количественные характеристики радона (концентрация С, объемная активность ОА, плотность потока ПП); расчетные характеристики радона: эквивалентная равновесная объемная активность радона (ЭРОАRn), (рассчитываемая по измеренным объемным активностям дочерних продуктов распада радона ОА ДПР); эквивалентная равновесная объемная активность торона (ЭРОАTn), (рассчитываемая по измеренным объемным активностям дочерних продуктов распада торона ОА ДПТ); коэффициент равновесия между радоном и его дочерними продуктами распада, F, отн. ед.; кратность воздухообмена, Лямбда, ч-1. Для измерений в условиях угольной шахты наиболее приемлем экспрессный метод измерения радона и его дочерних продуктов распада. При осуществлении контроля радона из методов измерений: «мгновенный», «интегральный», «промежуточный», в шахтных условиях предпочтение отдается «мгновенному».

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве В соответствии с [5] величиной, используемой при измерении радиационных факторов и расчетах доз, является не результат отдельного измерения, а оценка с заданной точностью среднего значения радиационного фактора (радона) по данным некоторого числа измерений. Эти измерения должны быть представительной выборкой из генеральной совокупности, характеризующей интегральное (средневзвешенное по времени) значение измеряемого радиационного фактора. Это же относится к случаям, когда уровни измеряемого фактора (радона) варьируют в пространстве, а для их оценки необходимы усредненные значения (например, когда рабочее место не локализовано в отдельном помещении и работник перемещается в пределах достаточно больших по площади участков). Для определения оптимального объема контроля применяют значения коэффициента вариации ν, (рассчитываемое по результатам серии специальных измерений в отдельных (наиболее типичных) контрольных пунктах). В данном пункте в течение некоторого интервала времени выполняют N измерений контролируемого радиационного фактора Аi. Для полученных значений Аi устанавливали среднее арифметическое значение Аср и коэффициент вариации ν в соответствии с методологией [5]. С помощью ν определяют число измерений (объем выборки) n, необходимое для оценки среднего уровня контролируемого радиационного фактора (радона) в пункте контроля с относительной погрешностью δ. При выполнении исследований одновременно в контролируемых местах измеряется содержание метана и углекислого газа с помощью шахтного интерферометра (ШИ-10, ШИ-11). Расчет результатов измерений радона с помощью методологии [5], показал, что для доверительной вероятности Р=0,95 достаточно проводить одно измерение контролируемого радиационного фактора. Анализ результатов измерения радона на поверхности ликвидируемых шахт свидетельствует о взаимосвязи концентрации (объемной активности) радона, метана, углекислого газа и времени года. Проникновение радона и других вредных газов в производственные помещения ТКП шахты зафиксированы в основном в теплый период времени года при пониженном атмосферном давлении. При этом поступления с опасными концентрациями радона отмечены и при высоком атмосферном давлении. Причиной этому может служить, в частности, увеличение радоновыделения (вследствие изменения уровня затопления, а также геодинамических процессов в горном массиве) в результате чего давление шахтного воздуха начинает превышать атмосферное и он поступает на

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве поверхность горного отвода шахты. Обобщение результатов проведенных исследований радоновыделения на трех специально выбранных ликвидируемых шахтах Донецкой Народной Республики показывает необходимость разработки рекомендаций по контролю радона на поверхности горного отвода затопляемых угольных шахт, независимо от гидродинамического состояния их выработанного пространства. Выводы: 1. Разработана методика проведения исследования выделения радона на земной поверхности горного отвода, а также в рабочих и подвальных помещениях технологического комплекса поверхности ликвидируемых шахт. 2. Объемная активность радона в рабочих помещениях ТКП ликвидируемых угольных шахт зафиксирована в пределах от 8 до 1200 Бк/м3; коэффициент равновесия между радоном и его дочерними продуктами распада составил величину 0,1 ‒ 0,2 в хорошо проветриваемых помещениях; 0,3 ‒ 0,65 в слабопроветриваемых; ЭРОА радона изменяется от 1,0 до 660 Бк/м 3, ЭРОА торона – от 1,0 до 44 Бк/м3; кратность воздухообмена от 0,6 до 0,3 ч-1 в слабопроветриваемых и от 1,9 до 8,9 ч-1 в интенсивно проветриваемых помещениях ТКП. 3. Установлен необходимый минимум измерений для заданной доверительной вероятности в контролируемом месте измерения радона. Перечень ссылок 1. Акмаев А.И. Оценка эколого-экономических последствий ликвидации угольных шахт [Текст] / А.И. Акмаев, О.В. Белозерцев // Вісник Сумського державного університету. Серія Економіка. ‒ 2004. ‒№5(64), С.5‒10. 2. Хайкович И.М. К вопросу об унификации алгоритмов методик измерений радона в системе радиационного контроля [Текст] / И.М. Хайкович, И.А Пучин, В.И. Фоминых // Экологические системы и приборы. – 2003.‒ №5. 3. Радиометр эквивалентной равновесной объемной активности радона РГА-09МШ [Текст]: Руководство по эксплуатации АЖАХ.412123.008 РЭ. ‒ Желтые Воды: ООО «НПП «Тетра». ‒ 2013.‒ 23 с. 4. Радиационный контроль и санитарно-эпидемиологическая оценка жилых, общественных и производственных зданий и сооружений после окончания их строительства, капитального ремонта, реконструкции по показателям радиационной безопасности: Методические указания. ‒ М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011. ‒ 26 с. 5. Организация радиационного контроля на урановых рудниках и расчет доз облучения персонала [Текст]: методические указания МУ 2.6.1.11-01: утв. и введены в действие Федеральным управлением «Медбиоэкстрем» 26.03.2001 и Министерством РФ по атомной энергии 28.04.2001 [Электронный ресурс] Здравоохранение. – Режим доступа к публикации: http://www.opengost.ru//2878mu-2.6.1.11-01.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.83 УЧЕТ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ В ВОЗНИКНОВЕНИИ ВЫБРОСОВ ТВЕРДЫХ ИСКОПАЕМЫХ И ПОРОД В ШАХТАХ. Э.В. Борисенко, Т.В. Борщ, Л.Н. Прокофьева ГУ «ИФГП», г. Донецк, ДНР В данной работе приведен обзор тектонофизической теории и высказана на ее основе гипотеза возникновения выбросов твердых полезных ископаемых и пород в шахтах Донбасса. Описаны возможные дополнительные факторы возникновения выбросов пород (песчаников), связанных с наличием в породах земной коры современных тектонических напряжений и практические способы предотвращения выбросов твердых ископаемых пород с учетом тектонофизической теории. This paper provides an overview of tectonophysical theory and, based on it, put forward the hypothesis of the occurrence of emissions of solid minerals and rocks in the mines of Donbass. Possible additional factors for the occurrence of emissions of rocks (sandstones) associated with the presence of modern tectonic stresses in the rocks of the Earth's crust and practical ways to prevent emissions of solid fossil rocks taking into account tectonophysical theory are described. Ключевые слова: тектонические напряжения, неотектоника, горные выработки, реологические свойства, напряженное состояние, выбросоопасность. Key words: tectonic stresses, neotectonics, mine workings, rheological properties, stress state, outburst hazard. Актуальность. Выбросы твердых ископаемых и пород в шахтах были и остаются одними из самых опасных явлений для жизни подземных горнорабочих. Борьба с выбросами при подземной разработке твердых ископаемых невозможна без знаний истинных причин, тщательного изучения природы и механизма их возникновения. Знание и применение тектонофизической теории внесет для практики борьбы с газодинамическими явлениями существенный вклад, а также позволить дополнить нормативные документы по правилам ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. Со времени появления выбросов угля в шахтах дореволюционного Донбасса, а затем и в шахтах других бассейнов бывшего СССР

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве представителями горной науки были предположены различные научные объяснения природы и механизма этих явлений. В свою очередь различия во взглядах на природу и механизмы выбросов породили различные, научные школы, которые можно разделить на три группы – «газовые», придерживающиеся взглядов, что в основе причин возникновения выбросов лежит газ, накопленный тем или иным ископаемым в процессе генезиса (Л.Н. Быков, С.А. Христианович, Р.М. Кричевский и др.). Вторая группа ученых (А.А. Скочинский, В.В. Ходот, Г.Д. Лидин и их последователи) обосновывали причину возникновения выбросов силами горного давления от веса вышележащей толщи пород в сочетании с определенными физико-механическими свойствами подверженного выбросу материала. Третья группа ученых (И.М Печук, В.А. Шатилов, И.В. Бобров и др.) причину возникновения выбросов видели в наличии в породах земной коры тектонических напряжений, существенно превышающих напряжения, возникающие от веса вышележащей толщи. Возникновение выбросов породы (песчаников) в шахтах Донбасса нашло подтверждение третьей группы ученых, т.к. было очевидно, что ни газа, ни напряжения от веса пород недостаточно для разрушения и выброса такой прочной и малогазовой породы какой является песчаники в шахтах Донбасса. В данной статье предлагается к рассмотрению тектонофизическая теория выбросов твердых ископаемых и пород в шахтах. Механизм выброса породы с точки тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых и пород в шахтах. Известно, что в процессе выбросов в шахтах наблюдается хрупкое разрушение горных пород, и отброс их в горную выработку за относительно короткий промежуток времени. Причем разрушение начинается на забое и носит лавинообразный характер. Специалисты, занимающиеся вопросами исследований выбросов, делают многочисленные попытки описания природы механизма возникновения последних исходя из лабораторных экспериментальных работ или теории прочности материалов, из которой следует, что высокие сжимающие напряжения сами по себе не могут привести к разрушению материала. Материал может разрушаться путем отрыва или среза. Предложено ряд теорий прочности для случаев хрупкого и пластического разрушений, но в них не отражается причина изменения вида разрушения в зависимости от изменения напряженного состояния и условий нагружения материалов.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Работы Н.Н. Давиденкова и Я.Б. Фридмана [1] позволили объединить теорию прочности материалов, являющуюся синтезом теории наибольших касательных напряжений и теории наибольших удлинений. Существенное дополнение внес в этот вопрос А.Н. Ставрогин [2], который сформулировал и проверил на широком круге неоднородных материалов новые условия прочных и предельных упругих состояний, являющихся обобщением теории максимальных напряжений. Им показано, что хрупкое разрушение горных пород в виде отрыва имеет место только в одном случае, когда минимальное напряжение (  min) является растягивающим, а максимальное (  mах) сжимающим и отношение  min к  mах таково, что пределы прочности и упругости горной породы уравновешиваются между собой. Во всех остальных случаях первопричиной разрушения является сдвиг. Случай, когда может произойти уравнивание пределов прочности и упругости горной породы, является редким. В практике ведения горных работ он может иметь место при взрывных работах в забое горной выработки. Именно в момент отбойки породы взрывом на вновь образованном забое упругое смещение породы в сторону выработки может иметь форму импульса. Однако, как показывает сейсмоакустические наблюдения при взрывных работах, процесс выброса зачастую отстает от момента отбойки породы или угля взрывом на 0,2-1,3 с, при этом максимальные смещения породных масс в сторону выработанного пространства должны происходить со скоростью проявления упругой деформации, т.е. мгновенно. Кроме этого известно из практики, что многие выбросы угля зарегистрированы спустя минуты, часы и даже сутки после воздействия на забой [3]. Не в пользу механизма выброса в виде отрыва говорят и данные о прекращении «стреляний» и горных ударов в случае проведения выработок в направлении наибольших сжимающих напряжений. В этом случае реализация разрушения пород в виде отрыва должна быть наиболее благоприятной, однако, как следует из работы [4] проявление динамических явлений в таких выработках или затухает, или полностью прекращается. Это же положение подтверждается опытами Л. Оберта и Д. Стефенсона [5], которые установили, что при неравнокомпонентных напряжениях пород выбуриваемый из них керн в направлении наибольших сжимающих напряжений не делится на диски. Одним из критериев для познания механизма выброса может служить внешний вид материала после разрушения при выбросе – форма кусков твердого ископаемого или пород, направленность и вид трещин на стенках полости выброса, степень измельчения выброшен-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве ного материала, вид поверхности разрушения и т.п. Например, разрушению путем отрыва присущи прямолинейная поверхность площадок разрушения, которые ориентированы перпендикулярно к растягивающим напряжениям. Отрыв никогда не происходит по криволинейным плоскостям, причем скорость деформации не отражается на величине сопротивления отрыву. Это значит, что разрушение отрывом с одинаковым успехом наступит как при медленном, так и при быстром деформировании породы. Разрушение путем сдвига возникает под воздействием касательных напряжений и существенно зависит от скорости деформирования породы. Сдвигу предшествуют, как правило, определенные пластические деформации, которые существенно зависят от скорости нагружения. При больших скоростях нагружения породы разрушаются путем хрупкого среза, т.е. разрушение происходит без предварительного значительного деформирования, что и присуще процессу выброса породы. Как показано в работах Р. Квапила [6], И.М. Петухова [7] и других авторов, при больших скоростях нагружения хрупкий срез обусловлен отставанием развития пластических деформаций от скорости нарастания касательных напряжений. Разрушению от касательных напряжений характерны криволинейные поверхности, на которых наблюдаются полосы скольжения, чего нет при отрыве. Характерный внешний вид поверхностей разрушения песчаников после выбросов приведен на рис. 1.

Рис. 1. Криволинейная форма пластин на стенках полостей выбросов породы. Результаты исследования характера напряженного состояния [5], при котором происходит разделение кернов на диски (образования

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве диска при бурении скважины аналогичен единичному акту разрушения угля, породы при выбросе), а также и по форме дисков (рис. 2) свидетельствует в пользу сдвига как первопричины разрушения твердых ископаемых и пород при выбросах в шахтах.

Рис. 2. Форма дисков, образованных при бурении керновых скважин в опасной по выбросам зоне в выбросоопасном слое песчаника. Если перенести эти закономерности на угольную толщу, то можно прийти к выводу, что при прохождении выработки вкрест простирания пород условия для реализации хрупкого разрушения угля или пород будет наиболее благоприятным. Безопасным направлением будет направление действия сжимающих тектонических сил. В исследованиях Л. Оберта и Д. Стефенсона показано, что величина радиальных напряжений, требуемая для образования дисков, когда осевые напряжения равны нулю, для различных пород имеет наиболее тесную связь (r=0,99± 0,01) и прочностью на срез и возрастает линейно с ее увеличением, что свидетельствует о более вероятном механизме разрушения пород (угля) в виде среза, а не отрыва. Sr = K1 + K2S0 где

(1)

Sr,S0 – радиальное и осевое напряжение, МПа; K1 – радиальное напряжение, требуемое для образования дисков при нулевом осевом напряжении, МПа; K2 – тангенс наклона прямой. Если бы разрушение твердого ископаемого или пород в период выброса происходило в виде отрыва, обусловленного мгновенной разгрузкой призабойной части горного массива, то время и скорость процесса выброса должны иметь скорость, например равную или близкую

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве скорости упругой деформации данной породы, которая вычисляется по формуле V= (Eg)/γ

(2)

где Е – модуль упругости данной породы ; g – ускорение свободного падения; γ – плотность породы. Так, например, при модуле упругости выбросоопасного песчаника Е=3,5× 105, γ=0,0028 кг/см3, g = 981м/с2, скорость упругой деформации будет равна 1107 м/с. Исходя из приведенных данных, при длине полости 4,76 м, образовавшиеся при выбросе породы на шахте им. К.И. Поченкова ПО «Макеевуголь» продолжительность выброса должна была быть 0,004 с. Фактически, по данным сейсмоакустических наблюдений она составляла 2,3 с (рис. 3)

Рис. 3. Контуры образовавшейся полости и сейсмограмма выброса, прошедшего во 2-м южном квершлаге шахты им. К.И. Поченкова ПО «Макеевуголь». Характерно, что после разрушения породы выбросом в течение 2,3 с, наступило затишье, которое длилось 4 с, а затем снова началось разрушение породы в виде выброса, продолжающегося, 0,7 с. Сейсмоакустические записи выбросов пород показывают, что скорость процесса выброса значительно меньше скорости упругой

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве деформации этой же породы. Общая деформация может быть выражена уравнением: Δl=Δll+Δl2 =f l (σ)+f2(σ,t).

(3)

Здесь Δll=fl(σ) – упругая деформация, которая зависит от физических свойств материала, его напряженного состояния и практически не зависит от времени, т.к. скорость упругой деформации очень большая; Δl2=f2(σ,t) – пластическая деформация зависящая, как от напряжения, так и от времени его воздействия на момент разрушения твердого ископаемого. Учитывая, что сдвигу предшествуют пластические деформации, становится ясно, почему процесс разрушения пород в виде выброса является более медленным по сравнению с процессом упругой деформации. Подвигание горной выработки приводит к нарушению первоначального состояния пород и образованию вблизи забоя зоны разгрузки, сменяющегося на некотором расстоянии от него зоной опорного давления (зоной повышенного напряжения). В неравнокомпонентном поле напряжений зона разгрузки вокруг выработки имеет форму эллипса, большая ось которого ориентирована в направлении наибольших сжимающих напряжений. Поверхность зоны разгрузки со стороны массива представляет собой поверхность набольших касательных напряжений, причем, вблизи забоя она расположена в направлении, перпендикулярном к направлению наибольших сжимающих напряжений. Чем более прочная и хрупкая порода и чем быстрее протекает процесс нарушения первоначального состояния, тем зона разгрузки будет меньшей по величине. Поверхность наибольших касательных напряжении, особенно в направлении перпендикулярном к направлению наибольших сжимающих напряжений, будет расположена ближе к забою, именно поэтому в таких местах наиболее часто наблюдаются каверны на стенках скважин, вывалы пород, выбросы, горные удары и т.д. При формировании зоны разгрузки находящийся на забое выработки отдельный элемент породы или твердого ископаемого стремится к деформации упругого восстановления во всех направлениях. Однако беспрепятственно такое деформирование происходит по нормали к забою горной выработки. В плоскости забоя деформация упругого восстановления задерживается, так как этому препятствует сцепление породы с массивом (рис. 4) в результате между отдельным элементом

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве и породным массивом возникакают касательные напряжения, которые как показано Р. Квапилом, [6], И.М. Петуховым [7] и другими авторами могут опережать деформации упругого восстановления в плоскости забоя.

Рис. 4. Схема разрушения пород сдвигом и график их деформаций (АВ – деформирование во времени по нормали к забою, соответствующее Δlх; АС, СД – деформирование во времени в плоскости забоя до начала и после разрушения, соответствующее Δlу). Отделение породы от забоя не произойдет, если касательные напряжения не превосходят предел упругости данного твердого ископаемого или породы. Когда же касательное напряжения будут выше предела упругости, а деформации не превышают этот предел, отдельный элемент твердого ископаемого или породы может отделяться от забоя по типу «хрупкого среза». Отделившийся от забоя кусок (пластина) твердого ископаемого (породы) будет двигаться в направлении по нормали к плоскости отделения от массива под действием суммарной силы, состоящей из давления выделившегося газа (Pr), упругого восстановления обнаженной части забоя и самого куска (пластины) (Py) и от движения элемента по неровной поверхности в момент среза (Pн). Такой процесс разрушения ископаемого или породы приобретает лавинообразный характер в виде выброса и контролируется как свой-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве ствами твердого ископаемого (породы), так и характером и уровнем напряжений, имеющихся в массиве в месте выброса. Лавинообразное разрушение твердого ископаемого или породы прекращается в том случае, когда волна разрушения встретит твердое ископаемое или породу с большей пластичностью (иными реологическими свойствами) или в процессе выброса произойдет самоподбучивание, что равноценно равновесному состоянию, неблагоприятному для дальнейшего протекания выброса. В итоге тектонофизическую теорию выбросов твердого ископаемого или породы можно сформулировать так: выбросы возникают там, где в приповерхностной части земной коры под действием внутренних и общепланетных факторов действуют современные силы, ориентированные в наиболее прочных породах и твердых ископаемых в плоскости напластований (в горизонтальной плоскости). Под влиянием этих сил в породах и твердых ископаемых формируются зоны, отличающиеся от смежных реологическими свойствами, что в свою очередь приводит к отличающихся в них повышенных неравнокомпонентных напряжений, т.е. современное действие сил, ориентированных в горизонтальной плоскости (в плоскости напластований) приводят к неравномерным преобразованиям (метаморфизму) твердых полезных ископаемых и породы, в результате чего в отдельных участках месторождения образуются локальные зоны повышенной хрупкости, большей пористости, меньшей прочности, повышенных неравнокомпонентных напряжений, аномально высоких давлений флюидов. В таких зонах указанные факторы увеличиваются или уменьшаются ходом ведения горных работ. Закономерности распределения давления газа в твердых ископаемых и породах в свете тектофизической теории выбросов. Важная роль при выбросах твердого ископаемого отводится газу (СН4, СО2 и др.), выделяющегося в процессе волны разрушения твердого ископаемого или породы. Сейчас с уверенностью можно сказать, что давление газа в ископаемых подчинено гидростатическому закону, а там, где ископаемое или породы подвержены неотектоническому сжатию, оно выше, чем рассчитанное по гидростатическому закону и в литературе именуется – аномально высоким давлением. Общее количество газа в текущий момент времени зависит не только от его давления, но и от пористости ископаемого (породы). Интенсивность газовыделения при выбросе, зависит от способности ископаемого (породы) отдавать газ в момент выброса. Экспериментально установлено,

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве что, угольные пласты отдают газ при выбросе менее интенсивно, чем выбросоопасный песчаник. В отличие от угля песчаник отдает газ при его дроблении выбросом мгновенно, а угольный пласт с некоторой задержкой [8], что, безусловно, влияет на интенсивность отброса угля (породы) при выбросе. В подавляющем большинстве случаев выбросов твердых ископаемых и пород наблюдается обильное выделение газов (СН4, СО2 и др.), что вполне объяснимо, т.к. выброс – это лавинообразное и быстропротекающие явление, при котором происходит разрушение цельного горного массива до мелких фракций. Чем мельче фракция горной массы, тем интенсивней она отдает накопленный в горном массиве газ. С другой стороны на процесс интенсивности газовыделения решающее влияние оказывает сорбционная способность горного массива. Например, угольный пласт может содержать в себе при давлении 5–10 МПа до 30-35 м3/т СН4, в то время как песчаник, например, не является сорбентом, поэтому содержание в нем газа не превышает 1 м3/т, но в отличие от угольного пласта при выбросе песчаника газ из него выделяется практически мгновенно, что оказывает влияние на величину отброса измельченного при выбросе песчаника от забоя. Важную роль в процессе отброса от забоя, измельченного выбросом горного массива, отводится давлению газа. К настоящему времени отсутствует достоверный способ измерения давления газа в горном массиве. Известно, что поры и трещины горного массива заполнены растворами и газами. При этом как показано А.Н. Ставрогиным [5], на определенном уровне и характере трехосного неравнокомпонентного сжатия массива в нем происходит увеличение объема и проницаемости за счет образования новой системы трещин и микротрещин. Следует учесть, что помимо этого сжатия отдельных слоев (или пластов) с видоизмененными физико-механическими свойствами, образуются и уходящие на глубину разрывы или зоны высокой проницаемости без разрыва сплошности пород и если такая толща пород перекрыта сплошными слабопроницаемыми пластичными породами, то образование закрытых газодинамических систем с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) неизбежно. Представление о механизме образования АВПД можно получить, рассматривая рис. 5 взятого из работы [9].

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 5. К объяснению механизма образования АВПД в угленосной толщи. На дне закрытого и заполненного сосуда находится перевернутый стакан с пузырьком воздуха. Совершенно очевидно, что давление жидкости на верхнюю крышку сосуда с внутренней стороны будет равно атмосферному (верхний манометр будет показывать давление равным нулю Р1=0). На нижнем манометре, а следовательно, и в пузырьке воздуха под стаканом давление воздуха будет равно давлению столба жидкости, т.е. Р2=γжН. (рис. 5а) Если теперь, не открывая сосуда, перевернуть стакан (рис. 5б), то пузырек воздуха всплывает вверх. Из-за того, что жидкость практически несжимаемая, он (пузырек) останется под прежним давлением и будет давить на верхнюю крышку сосуда и жидкость с прежней силой, т.е. Р=γж,Н, но так как высота столба жидкости практически не изменилась, то в нижней части сосуда давление увеличилось в два раза, т.е. Р2=2γжН. Аналогичные процессы происходят при образовании закрытых газодинамических систем в земной коре, например в осадочной толще. При современном ее сжатии в плоскости напластований и наличии в ней мощных слабопроницаемых пластичных пород (рис. 5в), залегающих в верхней части толщи, возможны разрывы «Б» нижних слоев на значительные глубины по вертикали и образование зон «В» повышенной проницаемости для флюидов, которые будут перемещаться вверх, при этом создавая в верхней части давление, равное тому, под которым они был в нижней части. Но так как система заполнена не только газом, но и водой, то в нижней части горного массива газ и вода будут находиться под давлением в два раза превышающим, то которое было до образования разрыва. Таким образом, давление флюидов будет аномально высоким. Причем давление в этих

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве зонах могли бы, снизится за счет перемещений в сторону меньших давлений (рис. 6в стрелками) до гидростатического, однако вследствие того, что тектоническая активность продолжается неопределенно долго и современная тектоническая активность в горном массиве не прекращается, то АВПД сохраняется неопределенно долго. Именно поэтому в отдельных геологоразведочных скважинах, пробуренных с поверхности, иногда наблюдается повышенный приток газа или газа с водой. Таким образом, зоны повышенной опасности выбросов твердых ископаемых или пород отличается не только величиной и характером напряженного состояния (несколько большим метаморфизмом угля (пород) и, как следствие этого, повышенной хрупкостью и упругостью), но и большим давлением флюидов по сравнению со смежными участками массива. Значение тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых и пород для практики. Рассмотрим некоторые практические аспекты, которые можно получить из применения тектонофизической теории выбросов. 1. Роль тектонофизической теории в установлении истинных причин некоторых аварий при добыче твердых ископаемых в шахтах. Например, авария на шахте им. А.Ф. Засядько, которая произошла 20 сентября 2006 г., в 13 восточной лаве пласта l1 на глубине 1170 м от поверхности. К моменту аварии забой лавы был подвинут от разрезного ходка на 6 м. (лава была подготовлена к сдаче). Приведем некоторые горно-геологические данные об участке шахтного поля, запланированного к отработке 13-й восточной лавой пласта l1 (мощность пласта 1,73-2,24 м, длина 235 м). Непосредственная кровля пласта l1 представлена алевролитом мощностью от 0 до 3,0 м и выбросоопасным песчаником L1Sl2, залегающим над алевролитом, имеющем мощность 21 м. В данном случае песчаник с точки зрения неотектоники представляет собой упругую пластину, нагруженную неотектоническими силами и вышележащей толщей пород (γH), способную к прогибанию [10]. Пока песчаник – упругая пластина, нагруженная неотектоническими силами и весом вышележащих пород и находится в нетронутом массиве, то сконцентрированная в нем высокая упругая энергия не может реализоваться. При отходе лавы от разреза на 6 м условия для реализации этой энергии в рабочее пространство лавы появилось в виде внезапного прогиба на участке лавы длиной 90 м по падению пласта, что привело к посадке механизированной крепи на

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве «жесткую». Почва пласта l1 представлена алевролитом комковой структуры («кучерявчик») мощностью 0,5 м., ниже которого залегает слой алевролита мощностью 5,5 м и еще ниже выбросоопасный песчаник L1Sl1, мощностью 27 м. Этот песчаник тоже опасен, но эта опасность другого рода, т.е. менее вероятная. Если бы с учетом выше описанного была бы применена тектонофизическая теория, то были бы приняты меры по контролю деформаций и сближением пород в рабочем пространстве лавы, чего, к сожалению, нет в нормативном документе [11]. На практике следовало бы заблаговременно впереди лавы бурить по породам кровли пласта l1 керновые скважины. И если керн делился бы на диски, было бы очевидным, что породы кровли пласта склоны к зависаниям на большой площади с последующим их внезапным обрушением в таких местах кровли пласта должны быть принудительно обрушены. 2. Выбор места расположения полевых выработок по мощности слоя песчаника. На больших глубинах подземной разработки твердых ископаемых для обеспечения устойчивости подготовительных выработок выбираются прочные породы. Известно, что при продольном сжатии образца пород наибольшее напряжения возникает в центре, и снижаются к переферийныой части. Исходя, из тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых и пород аналогичное распределение напряжений происходит, и при сжатии слоев песчаника неотектоническими силами в плоскости напластований и их минеральные преобразования будут происходить в центральной части. При этом наименьшую вероятность выбросоопасности следует ожидать у кровли слоя песчаника и несколько большую у почвы. Механизм минеральных преобразований под действием неотектонических сил в плоскости напластований можно объяснить деформацией кристаллов, что влечет перенос и диффузию вещества; из-за неравномерности в различных участках направленного в плоскости напластований неотектонического давления происходит перемещение флюидов и подвижных элементов; повышенное направленное неотектоническое давление на кристалл породообразующего минерала создает условия для проявления эффекта Рикке, при котором кристалл растворяется со стороны наибольшего давления и растет с «затененной» стороны. Согласно эффекту Рикке, точка растворения кристаллов понижается пропорционально квадрату приложенного давления. При деформации кристаллов и образовании в них дислокаций, которые не остаются неподвижными, а перемещаются к грани кри-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве сталла. Скорость перемещения дислокаций зависит от свойств самого кристалла, величины его деформации, и условий напряженного состояния подверженного неотектоническим сжатием слоя породы. При разгрузке кристалла от напряжений, образованные в нем при его деформации дислокации, выходят на поверхность кристалла, образуя ступеньку на его грани. Вокруг каждой дислокации образуется свое поле повышенных напряжений, т.е. каждая дислокация «концентрирует» в кристалле энергию определенной величины. При выходе дислокации на поверхность кристалла эта энергия расходуется на перекристаллизацию, кристалл растет в месте выхода дислокации. В кристаллах при неотектоническом сжатии слоя породы в плоскости напластований образуются как линейные, так и винтовые дислокации. При этом линейные дислокации перемещаются в направлении наибольшего сжатия, в то время как винтовые в перпендикулярных к сжатию направлениях и выходят на поверхность кристалла в «затененной» стороне. Рост кристалла со стороны наибольших давлений, несмотря на выход линейных дислокаций, будет меньшим по сравнению с ростом с «затененной» стороны. Так как эффект роста кристалла в результате выхода на поверхность линейных дислокаций будет уменьшаться за счет эффекта Рикке, в то время как с «затененной» стороны рост будет осуществляться еще и в результате несколько меньшого давления. Именно поэтому в условиях направленного давления происходит интенсивная перекристаллизация и изменение реологических свойств породы в целом. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что чем больше неотектонические силы, приводящие к деформированию пород, тем в большей степени проявляется эффект Рикке, тем больше в кристаллах образуется дислокаций, тем в большей степени такой кристалл термодинамически неустойчив. Тем интенсивней будет метаморфизм породы, который может протекать за счет внутренних резервов слагающих породу минералов, т.е. без привноса растворов. В случае привноса растворов при наличии давлений в плоскости напластований и вызванных ими деформаций пород интенсивность метаморфизма значительно усилится. В качестве таких растворов может выступать кристаллизационная вода, выделяющаяся при деформации кристаллов, такая вода химически активна и подвижная особенно там, где имеется градиент давлений. Так А.И. Чередниченко [12] отмечает, что при пластической деформации из 1 км3 пород может выделиться от 20 до 130 млн. м3 воды. Наличие складчатости и разрывных нарушений надвигового характера указывает на горизонтальное сжатие толщи пород, как в про-

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве шлые геологические эры, так и в современную. Анализируя геофизические исследования можно сделать вывод – скорости горизонтальных движений в Донбассе оцениваются 1-2 см в год, в то время как вертикальное движение в среднем равно 3-4 мм, и только отдельные угленосные блоки подвержены вертикальным движениям со скоростью 1-1,5 см в год. [13]. Если учесть вышеизложенное на практике прохождения горных выработок по прочным породам, выбросы следует ожидать в центральной части слоев таких пород, где пористость их ложна, и может быть значительно большей по сравнению с периферийными частями слоев, хрупкость большая, прочность меньшая, упругие свойства большие. А при наличии больших неотектонических сил, действующих в плоскости напластований – наибольшую вероятность выбросов, которую можно избежать изменением места заложения полевых выработок в толще слоя прочных пород. Это позволит уменьшить количество выбросов, что приведет естественно и к экономическому эффекту, а также к росту проведения полевых выработок. 3. Роль тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых в поисках и разведке флюидообразных водородов. При формировании залежей нефти и газа, как известно нужно чтобы в земной коре были зоны разуплотнения осадочных или коренных пород. С позиции тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых, образование таких коллекторов и механизм их образования связан с действием внутрипланетных факторов, как в современном плане, так и в прежние эпохи. Поэтому при поиске и разведке флюидообразных углеводородов особое внимание следует уделят глубинным разломам фундамента и осадочных пород, вблизи которых, как правило, и образуются зоны разуплотнения пород [14]. Выводы: Данная работа – это результат изучения исследовательских работ в области выбросов твердых полезных ископаемых и пород в шахтах, которые основаны на шахтных экспериментах и данных практиков, имеющих огромную ценность в достоверности и полезности. Именно на них родились представленные основы тектонофизической теории выбросов твердых ископаемых и пород в шахтах. На основании вышеизложенного можно заключить, что при проведении горных работ необходимо дополнительно использовать знания тектонофизической теории, так как данная теория учитывает естественное залегание твердых ископаемых и пород.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Перечень ссылок 1. Дивиденкова, Н. Н., Фридман, Я. Б. Теория прочности [Текст] / Сопротивление материалов: издание 13, 1962. – 351с. 2. Ставрогин, А.Н., Прочность и деформация горных пород. [Текст] / Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени доктора технических наук.: АН СССР Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта, сектор физ.- тех. Горных проблем. – М.: 1968. – 35 с. 3. Брюханов, А. М., Рубинский, А.А., Тимофеев, Э. И. К 100-летию первого выброса угля и газа в Донбассе. [Текст] – «Уголь Украины», 2006. – №11, 28-29 с. 4. Крапивин, В.Н., Протасеня, А. Г. Возможные причины стреляний горных пород в незакрепленных выработках на примере апатитовых месторождений Хибин. [Текст] / Записки ЛГД, 1969. – 43с. 5. Оберт, Л., Стефенсон, Д., Напряженное состояние, при котором происходит разрушение кернов на диски. [Текст] – Society of Mining Enqineers, 1965. – IX. 6. Квапил, Р., Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов [Текст] / Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук . – Свердловск.: СГИ,1964. 7. Петухов, И.М. Механизм горного удара [Текст] / Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук – Л.: изв. ВНИМИ, 1960. 8. Волошин, Н. Е. Внезапные выбросы и способы борьбы с ними в угольных шахтах. [Текст] – К.: Техника, 1985. – 185с. 9. Чекалюк, Э. Б. Термодинамические основы теории минерального происхождения нефти [Текст] – К.: Наукова думка, 1971. – 256с. 10. Тимошенко, С. П. Курс теории упругости [Текст] – К.: Наукова думка, 1972. – 506 с. 11. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям: Отраслевой стандарт Минуглепрома Украины [Текст] – К.: 2005. 12. Чередниченко, А. И. Тектонофизические условия минеральных преобразований [Текст] – К.: Наукова думка, 1964, 183 с. 13. Вереда, В. С., Урманцев, Ф. М., Юрченко, С. К. и др. Девять лет исследований современных движений земной коры в Донецком бассейне в книге Фотиади Э.Э. Современные движения земной коры [Текст] (исследования на геодинамических полигонах) Новосибирск: издательство «Наука», Сибирское отделение, 1978 – 220с. 14. Патент Российской Федерации №2000393510, МПК:G 01V 9/00/(2006.01), опубл. 27.06.2010. Бюл. №18.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.413

УЛУЧШЕНИЕ МИКРОКЛИМАТА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ В УСЛОВИЯХ ДЕФИЦИТА ШАХТНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Н.И. Майбенко, Ю.А. Плотникова, Н.А. Васильева ГУ «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности», г. Макеевка, ДНР Изложены актуальность и целесообразные направления в борьбе с высокими температурами воздуха в выработках глубоких шахт Донбасса. В условиях дефицита шахтной холодильной техники представлен комплекс горнотехнических мер, направленных на улучшение тепловых условий в горных выработках. Set out the urgency and appropriate direction to combat the high temperatures of air in workings of deep mines of Donbas. In conditions of shortage of mine refrigeration equipment presented a set of mining measures aimed at improving the thermal conditions in the mine workings. Ключевые слова: глубокая шахта, выработка, температура воздуха, регулирование Keywords: deep mine, production, air temperature, regulation Развитие добычи угля в Донецком бассейне осуществляется в основном за счет углубления горных работ и освоения разведанных запасов на больших глубинах. Рост глубины разработки сопровождается усложнением проветривания шахт, повышением температуры горного массива и формированием в горных выработках высоких температур воздуха. Все это осложняет условия разработки и создает дополнительные трудности в технологии горного производства. Вопросы безопасности и охраны труда шахтеров из-за формирования в горных выработках высоких температур воздуха приобрели к настоящему времени первостепенное значение. На освоенных многими шахтами в последние три десятилетия горизонтах добычи угля 1000-1400 м естественная температура горного массива составляет 45-52°С. Температура воздуха в лавах, участковых вентиляционных выработках и подготовительных тупиковых забоях без осуществления мер по ее снижению может значительно превышать максимально допустимые значения [1]. Целью статьи является ознакомление руководителей и инженерно-технического персонала глубоких шахт, других специалистов с целесообразными направлениями в борьбе с высокими температурами

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве рудничной атмосферы, особенно, в случаях дефицита шахтной холодильной техники. От решения этой весьма актуальной и сложной проблемы борьбы с высокими температурами воздуха в выработках зависит дальнейшее развитие действующих глубоких шахт Донбасса. Одним из наиболее доступных способов улучшения тепловых условий в горных выработках глубоких шахт в условиях дефицита холодильной техники является увеличение расхода воздуха, подаваемого на их проветривание. Последнее может быть выполнено, как за счет увеличения подачи воздуха в шахту, так и за счет перераспределения его по выработкам в шахтной вентиляционной сети. Увеличение расхода воздуха, проходящего по выработке в единицу времени, способствует снижению прироста температуры воздуха по ее длине. Тепловой поток из окружающего выработку горного массива и тепловыделения других источников распределяются на больший объем воздуха. Несмотря на то, что с увеличением скорости движения воздуха возрастает теплоотдача горного массива в выработках и повышается суммарное поглощение тепловой мощности воздухом, при всех прочих равных условиях прирост его температуры по длине выработок будет в этом случае всегда меньшим. При этом, с увеличением расхода воздуха увеличивается интенсивность образования охлаждающей зоны в породах вокруг горных выработок, которая является термическим сопротивлением для теплопритока из глубины горного массива. Увеличение расхода воздуха в выработках в комплексе с другими горнотехническими мерами предотвращения нагрева вентиляционной струи до глубины разработки (800-900 м) является целесообразным и более выгодным, чем высоко затратное искусственное охлаждение воздуха [1]. В качестве других горнотехнических мер по улучшению микроклимата выработок наряду с увеличением расхода воздуха, должны техническими службами шахт постоянно анализироваться и прорабатываться [1,2]: - установление и применение в конкретных условиях наиболее рациональной с учетом теплового фактора схемы подготовки шахтного поля на глубоком горизонте; - обоснование и выбор рациональной с учетом теплового фактора технологической схемы и параметров ведения горных работ; - установление целесообразной с учетом теплового фактора схемы и параметров проветривания выработок выемочного участка;

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве - осуществление мер, направленных на предупреждение обводнения выработок и соответственно влагонасыщения рудничной атмосферы; - меры, направленные на снижение нагрева воздуха от местных источников тепловыделений; - сокращение общей протяженности шахтной вентиляционной сети, особенно, сокращение пути движения свежей струи воздуха к рабочим забоям; - обособленное проветривание общешахтных горизонтальных и наклонных выработок, оборудованных конвейерным транспортом; - устранение последовательного проветривания подготовительных тупиковых и очистных выработок. Применение рациональных по тепловому фактору горнотехнических решений может обеспечить снижение температуры воздуха в рабочих забоях глубоких шахт на 2-3°С, а в отдельных случаях в зависимости от горнотехнических и горно-геологических условий разработки пластов - на 4-5°С. Увеличение расхода воздуха в выработках шахтной вентиляционной сети может быть достигнуто за счет увеличения производительности вентиляторной установки главного проветривания, снижения внешних и внутренних утечек воздуха, уменьшения аэродинамического сопротивления выработок. Улучшение микроклимата на основе интенсификации проветривания шахты, в целом, и конкретных горных выработок, в частности, должно выполняться на основе технико-экономического анализа и обоснования с учетом соответствующих тепловых расчетов. Влияние скорости движения воздуха на формирование тепловых условий в выработках наиболее наглядно прослеживается в пределах выемочных участков. В участковых воздухоподающих выработках при малых скоростях движения воздуха происходит интенсивный прирост его температуры. С увеличением скорости воздуха, согласно расчетам, происходит возрастание тепловыделений от горного массива, причем наиболее интенсивный прирост тепловыделений имеет место при увеличении скорости воздуха в диапазоне 0,5-1,5 м/с. Абсолютное значение теплопритока зависит от температурного напора между горным массивом и воздухом. При дальнейшем повышении скорости воздушного потока прирост тепловыделений замедляется. Эффективными по тепловому фактору в воздухоподающих выработках выемочных участков глубоких горизонтов шахт являются скорости движения воздуха в пределах 2,02,5 м/с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Особенно ощутимый эффект в снижении температуры воздуха достигается при интенсификации проветривания выработок выемочных участков с обеспечением скорости воздуха в лавах 4 м/с и более на шахтах с глубиной очистных работ до 800-900 м. Однако, как показали многочисленные шахтные исследования [1] этот вывод относится и к более глубоким шахтам. Последнее подтверждают результаты шахтных тепловых съемок по маршрутам выемочных участков, выполненных на целом ряде шахт Донбасса. Это подтверждают и выполненные прогнозные расчеты температуры воздуха в выработках выемочных участков при условии увеличения скорости воздуха в лавах до 4 м/с. В связи с этим в призабойных пространствах лав глубоких шахт, отрабатывающих пологие и наклонные пласты, по тепловому фактору необходимо поддерживать максимально допустимую ПБ скорость воздуха 4 м/с, а в высокопроизводительных комплексно-механизированных лавах с повышенной естественной влажностью угольного массива (свыше 80%) с разрешения органов Госгортехнадора – более 4 м/с. На более глубоких шахтах (свыше 1000 м), а также при высоком уровне концентрации горных работ, на выемочных участках с высокопроизводительной очистной выемкой, в механизированных подготовительных тупиковых выработках, в удаленных от воздухоподающих стволов лавах и подготовительных выработках нормализация температурных условий может быть осуществлена только путем искусственного охлаждения воздуха. Однако, и в этом случае нормализация тепловых условий должна выполняться с максимальным использованием перечисленных выше горнотехнических мер по снижению нагрева воздуха, поступающего на проветривание очистных забоев и подготовительных тупиковых выработок. Разработка практических мер по улучшению тепловых условий в горных выработках производится на основе результатов выполнения вариантных тепловых расчетов. Для выполнения тепловых расчетов выработок глубоких шахт на основании нормативно-методических документов [2,3] разработана специальная компьютерная технология [4]. Для расчета температуры воздуха в тупиковых забоях разработано специальное программное обеспечение [5]. Выполнение указанных тепловых расчетов необходимо при разработке проектов отработки новых глубоких горизонтов шахт, планировании ввода в эксплуатацию новых выемочных участков и проведения подготовительных тупиковых выработок.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Разработанная компьютерная технология [4] достаточно широко апробирована на глубоких шахтах Донецкого бассейна. Результаты практического использования компьютерной технологии на целом шахт показали ее надежную работоспособность, точность и достоверность выполняемых прогнозных тепловых расчетов, преимущества оптимизации параметров разработки пластов по тепловому фактору. Положительные результаты использования компьютерной программы позволяют рекомендовать ее для широкого применения работниками угольной промышленности, занимающихся решением проблемы борьбы с высокими температурами воздуха в шахтах. Выводы: Решение проблемы регулирования температурных условий в горных выработках глубоких шахт может быть осуществлено только на основе выполнения комплексных горнотехнических мер и применения искусственного охлаждения рудничного воздуха. В условиях дефицита шахтной холодильной техники наиболее эффективным для улучшения микроклимата в выработках выемочных участков является интенсификация их проветривания с обеспечением скорости воздуха в лавах 4 м/с и более. Для разработки и обоснования рациональных по тепловому фактору горнотехнических, технологических и специальных мер по регулированию теплового состояния рудничной атмосферы в выработках шахт при планировании ведения горных работ на больших глубинах разработана и рекомендуется для практического использования специальная компьютерная технология. Перечень ссылок 1. Мартынов А.А., Малеев Н.В., Яковенко А.К. Тепловой режим глубоких угольных шахт. Монография /под редакцией А.А. Мартынова). - Донецк: изд-во «Ноулидж». - 2014. - 443 стр. 2. Прогнозування та нормалізація теплових умов у вугільних шахтах. СОУ-Н 10.1.00174088.027:2011. - Макіївка, 2011. - 188 с. 3. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах, Макеевка-Донбасс, 1979. 4. Морев А.М., Мартынов А.А., Малеев Н.В., Яковенко А.К. Программное обеспечение расчета температуры воздуха в выработках выемочных участков глубоких шахт. – М.: Безопасность труда в промышленности. - 2012, №1. – С. 5156. 5. Мартынов А.А., Майбенко Н.И., Плотникова Ю.А. Программное обеспечение расчетов температуры воздуха в тупиковых выработках глубоких шахт. - М.: Безопасность жизнедеятельности. - 2018, №2. – С. 32-42.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.8:614.8.01

ОБ УСТАНОВЛЕНИИ ПЕРИОДОВ ПОВЫШЕННОЙ ТРАВМООПАСНОСТИ ШАХТЕРОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ О МЕСЯЦАХ ИХ РОЖДЕНИЯ И ТРАВМИРОВАНИЯ И.Ю. Голик Государственное учреждение «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности», г. Макеевка, ДНР Установлены закономерности, заключающиеся в существовании связей между месяцами рождения пострадавших на предприятиях угольной промышленности и месяцами, в которые они были травмированы. Определены наиболее травмоопасные и относительно безопасные месяцы шахтеров, в зависимости от месяца их рождения. Regularities have been established, consisting in the existence of connections between the months of birth of victims in the coal industry enterprises and the months in which they were injured. The most traumatic and relatively safe months of the miners were determined, depending on the month of their birth. Ключевые слова: несчастный случай, шахта, закономерность, период повышенной травмоопасности. Key words: accident, mine, regularity, period of increased injury risk. Угольные шахты являются опасными производственными объектами и характеризуются высоким уровнем производственного травматизма. Важным направлением работ по профилактике несчастных случаев (НС) выступает исследование закономерностей их возникновения и разработка на основе полученных результатов эффективных средств и мер защиты шахтеров. Обзор литературных источников [1,2] показал, что одним из основных направлений таких исследований является определение периодов повышенной травмоопасности работников угольных предприятий. В работе [2] был предложен подход, основанный на установлении связей между датами рождения пострадавших и датами НС. В частности, автор статьи [2] пишет: «Месяц накануне даты рождения и второй месяц после нее – самые опасные для людей. Максимально безопасный – первый месяц после даты рождения». Проведенный поиск литературных источников

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве (в т.ч. в сети Интернет) не выявил подобных работ, опубликованных в последние годы применительно к угольной промышленности. Поэтому необходимо провести исследование и установить аналогичные закономерности по отношению к работникам угольной отрасли. Целью статьи является установление закономерностей, заключающихся в существовании связей между месяцами рождения пострадавших на предприятиях угольной промышленности ДНР и месяцами, когда они получили травмы, и определение на этой основе наиболее травмоопасных месяцев шахтеров, в зависимости от месяца их рождения. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: выполнить сбор, статистическую обработку и анализ данных о датах рождения пострадавших и датах НС на предприятиях угольной промышленности ДНР; на основе полученных результатов определить наиболее травмоопасные месяцы шахтеров, в зависимости от месяца их рождения. Для установления закономерностей, заключающихся в существовании связей между месяцами рождения пострадавших на предприятиях угольной промышленности ДНР и месяцами, когда они получили травмы, была использована информация 600 актов расследования НС (форма Н-1), происшедших на предприятиях отрасли в 2014-2018 гг. Данные этих актов охватывают все возрастные категории шахтеров. Результаты статистической обработки информации актов расследования НС приведены в виде гистограммы на рис. 1. Из этого рисунка следует, что наиболее травмоопасными являются месяц рождения пострадавшего а также месяцы, предшествующий и следующий за месяцем рождения. Наибольший удельный вес пострадавших приходится на месяц, предшествующий месяцу их рождения (иначе – через 11 месяцев после месяца рождения) – 12,6%. Затем следует месяц, следующий после месяца рождения пострадавших – 11,1%. За две недели до даты рождения было травмировано 4,9% от общего числа пострадавших, в первые две недели после указанной даты пострадало практически столько же – 5,1% (в сумме 10,0% от всех произошедших НС). Всего на эти три месяца приходится одна треть всех случаев травматизма.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Удельный вес пострадавших, %

12,6 11,1 10,0 9,1

8,3

7,7

8,0 7,4

6,9

6,3

0 0

Количество месяцев, прошедших от месяца рождения пострадавшего до месяца травмирования

Рис. 1. Количество месяцев, прошедших от месяца рождения пострадавшего до месяца его травмирования Относительно безопасными являются седьмой, девятый и десятый месяцы после месяца рождения, на их долю приходится наименьший удельный вес пострадавших – по 6,3%. В процессе статистического анализа была сформулирована гипотеза: разным месяцам рождения пострадавших соответствуют не одни и те же месяцы повышенной травмоопасности. Проведенная проверка подтвердила справедливость сделанного предположения. Наиболее травмоопасные и относительно безопасные месяцы работников угольной промышленности сведены в табл. 1. Удельный вес месяцев: повышенной травмоопасности – 36,8%, средней травмоопасности – 43,8%, относительно безопасных месяцев – 19,4%, т.е. имеет место следующее примерное соотношение месяцев по степени травмоопасности: 35/45/20 (%). Данные табл. 1 предназначены для использования при проведении инструктажей с работниками угольной промышленности ДНР, их предупреждении о необходимости быть особо внимательными и осторожными в периоды повышенной травмоопасности. Эти данные также рекомендуется учитывать при составлении графиков работы и отпусков шахтеров.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Таблица 1 Наиболее травмоопасные и относительно безопасные месяцы работников угольной промышленности Месяц рождения работника

Месяцы повышенной травмоопасности

Январь

Февраль, июнь, июль, декабрь

Февраль

Январь, апрель, май, июнь, июль

Март

Январь, февраль, март, июль

Апрель

Март, июнь, июль

Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь

Январь, апрель, май, июль, сентябрь, декабрь Февраль, июль, август, октябрь, ноябрь Февраль, май, август, октябрь Февраль, май, август, сентябрь, октябрь, ноябрь Февраль, апрель, июнь, август, сентябрь Май, сентябрь, октябрь, ноябрь

Ноябрь

Февраль, апрель, май, октябрь

Декабрь

Апрель, май, август

Месяцы средней травмоопасности Январь, апрель, май, сентябрь, октябрь, ноябрь Февраль, август, сентябрь, октябрь, ноябрь Апрель, май, август, сентябрь, октябрь, декабрь Февраль, апрель, май, август, сентябрь, октябрь

Относительно безопасные месяцы Март, август Март, декабрь Июнь, ноябрь Январь, ноябрь, декабрь

Март, июнь, август, ноябрь

Февраль, октябрь

Март, апрель, май, июнь, сентябрь

Январь, декабрь

Январь, март, июнь, июль, ноябрь, декабрь

Апрель, сентябрь

Январь, март, июнь

Апрель, июль, декабрь

Январь, март, май, ноябрь, декабрь

Июль, октябрь

Январь, март, апрель, июль, август, декабрь Январь, июнь, июль, август, сентябрь, ноябрь, декабрь Январь, февраль, март, октябрь

Февраль, июнь Март Июнь, июль, сентябрь, ноябрь, декабрь

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Использование результатов, изложенных в статье, позволит снизить уровень производственного травматизма на предприятиях угольной промышленности ДНР. Дальнейшие работы должны быть направлены на исследование других закономерностей возникновения НС на шахтах. Выводы: 1. На основе статистического анализа 600 случаев общего производственного травматизма установлены закономерности, заключающиеся в существовании связи между месяцами рождения пострадавших с месяцами, когда произошли НС. 2. Установлено, что наиболее травмоопасными являются месяц рождения пострадавшего, а также месяцы, предшествующий и следующий за месяцем рождения. 3. Определены наиболее травмоопасные и относительно безопасные месяцы шахтеров, в зависимости от месяца их рождения. Перечень ссылок 1. Сергеев В. А. Прогнозирование дней повышенной травмоопасности на угольных шахтах / В.А. Сергеев, В. Ю. Деревянский // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: сб. науч. тр. / МакНИИ. – Макеевка: МакНИИ, 2010. – Вып. 1 (25). – С.157-165. 2. Панов Г. Е. О роли гелиофизических факторов и биологических ритмов в причинах травматизма / Г. Е. Панов // Безопасность труда в промышленности, 1980.– №12. – С. 45–46.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831: 546.294

О НОРМАТИВНОЙ БАЗЕ ПО МОНИТОРИНГУ РАДОНА НА ЛИКВИДИРУЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ В.Е. Герасименко, О.Г. Кременев, В.Ю. Деревянский, И.Ю. Голик Государственное учреждение Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, г. Макеевка, ДНР Приведены результаты анализа законодательных и нормативных документов по мониторингу радона на ликвидируемых шахтах угольной промышленности. The results of the analysis of legislative and regulatory documents on the monitoring of radon in the coal mines undergoing liquidation are presented. Ключевые слова: ликвидируемая шахта, радон, законодательная и нормативно-правовая база, горный отвод, угольная отрасль. Keywords: liquidated mine, radon, legislative and regulatory framework, mining allotment, coal industry. Исследованиями МакНИИ и других организаций установлено наличие радона в подземных выработках и на поверхности действующих угольных шахт. Однако для ликвидируемых и затопляемых угольных шахт процессы выделения радона на поверхность их горных отводов системно не изучены. Между тем выделение радона, превышающее установленные нормы, а также хроническое облучение населения в жилищах и персонала угольных шахт в производственных помещениях на поверхности шахт создает риск заболевания (рак легких, злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни, аномалии в развитии плода, и др. [1]). Источники выделения и пути миграции радона на поверхность ликвидируемых шахт Донецкой Народной Республики (ДНР) не имеют однозначного теоретического обоснования, экспериментальной систематизации. Зоны на поверхности горных отводов ликвидируемых шахт по степени опасности выделения радона не дифференцируются, из-за отсутствия отличительных критериев. Цель доклада – результаты анализа законодательных и нормативных документов по вопросам мониторинга радона и его дочерних продуктов распада на предприятиях угольной промышленности.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Для достижения цели был выполнен сбор и анализ информации о законодательных и нормативных документах по контролю радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) на предприятиях угольной промышленности. Сбор информации осуществлялся путем анализа законов, нормативно-правовых актов (НПА) и других нормативных (НД) и технических документов ДНР, Украины, Российской Федерации (РФ), Польши, Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ), Научного комитета Организации Объединенных Наций по действию атомной радиации (НКДАР ООН) и др. Анализ законодательной базы ДНР по мониторингу радона и его ДПР на предприятиях угольной промышленности выполнялся путем изучения информации официального сайта «Народный Совет ДНР». Анализируемые сведения включали: Конституцию ДНР, Законы, Положения, Постановления, распоряжения, Регламенты, меморандумы, НПА Верховного Совета ДНР. При анализе законодательной базы ДНР был рассмотрен основной закон (Конституция ДНР), Горный закон, законы: «Об охране атмосферного воздуха», «Об охране окружающей среды», «О государственном надзоре в сфере хозяйственной деятельности», «Об отходах производства и потребления», «О здравоохранении». Общие требования о радиационной и экологической безопасности содержатся в Конституции ДНР, гарантирующей право на охрану труда и здоровья людей (ст.4), экологическое и санитарноэпидемиологическое благополучие населения (ст.34), право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением (ст.35). Требование об обеспечении радиационной безопасности при ведении горных работ содержится в Горном законе ДНР в ст. 18, фиксирующей обеспечение радиационной и экологической безопасности во время проведения горных работ. В ст. 26 указано, что предотвращение затопления горных выработок, выделения и проникновения в них вредных веществ (газоподобных, пароподобных, пылевидных, жидкостных, электромагнитных, излучающих, радиационных и прочее) на горных предприятиях, опасных этими проявлениями, обеспечивается переводом их на особый режим работы в установленном порядке. Среди НПА информация о радонобезопасности содержится в Правилах безопасности в угольных шахтах ДНР (ПБ) [1]. В п.11.1.2. указывается, что на закрываемых угольных предприятиях, находящихся в режиме «мокрой» и «сухой» консервации, а также

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве гидрозащитных шахтах, работающих «в режиме водоотлива», необходимо разрабатывать технические мероприятия «по предотвращению проникновения метана, радона (и ДПР) и других вредных газов в поверхностные сооружения и атмосферу». МакНИИ проведены исследования по составлению систематизированной информации о действующих НД, содержащих требования охраны труда и промышленной безопасности (кроме НПА охраны труда), действие которых распространяется на предприятия угольной промышленности ДНР [3]. Среди этих документов информации о радонобезопасности не обнаружено. Проведенный анализ законодательной базы, НПА и других НД показал наличие информации о мониторинге радона в угольных шахтах в двух источниках: Горном законе ДНР и ПБ ДНР. Информации этих документов недостаточно для организации мониторинга и контроля радонобезопасности на шахтах ДНР. Для устранения создавшейся законодательной коллизии в ДНР принято Постановление Совета Министров (СМ) «О применении Законов на территории ДНР в переходный период» [4]. В Постановлении указано, что в связи с отсутствием законодательной базы в ДНР и необходимостью постоянного регулирования отношений между субъектами права СМ ДНР постановил: всем органам исполнительной власти ДНР в организации своей деятельности руководствоваться положениями Декларации о суверенитете ДНР, Конституцией ДНР; до принятия Законов ДНР, регулирующих отношения между субъектами права, Министерствам и ведомствам ДНР применять Законы Украины или Законы других государств в частях, не противоречащих Декларации о суверенитете ДНР, Конституции ДНР. Законы Украины или Законы других государств в частях, не противоречащих Декларации о суверенитете ДНР, Конституции ДНР подлежат утверждению СМ ДНР. В связи с вышеизложенным был выполнен анализ законодательной и нормативно-правовой баз Украины по этой тематике. В Украине законодательную базу по контролю радона, его ДПР составляют Конституция Украины, 12 Законов Украины, а также Указы Президента Украины (6 Указов), Постановления Кабинета Министров и Верховной Рады Украины, Международные конвенции, ратифицированные Украиной (6 Конвенций). Основными нормативными правовыми документами по вопросам обеспечения радонобезопасности населения Украины являются: «Нормы радиационной безопасности Украины» (НРБУ-97); «Основные санитарные правила противорадиационной защиты Украины»

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве (ОСПУ-2005); «Государственные гигиенические нормативы» ГГН 6.6.1 – 6.5.001-98, с дополнением: «Радиационная защита от источников потенциального облучения» (НРБУ-97/Д-2000), ГГН 6.6.1. - 6.5.000-2000; «Государственные строительные нормы Украины «Система норм и правил снижения уровня ионизирующих излучений естественных радионуклидов в строительстве». Анализ законодательной и нормативной правовой базы Украины по радонобезопасности на предприятиях угольной промышленности показал отсутствие методик расчетов годовых эффективных и эквивалентных доз облучения, а также методик измерения и определения уровней обязательных действий (предупреждающий радиационный контроль) для угольной промышленности. В РФ законодательную базу по радону и его ДПР составляют Конституция РФ, Федеральные законы (ФЗ) и НПА РФ, Указы Президента РФ, Постановления Кабинета Министров (КМ) и Государственной Думы, Международные конвенции, ратифицированные РФ. Основными ФЗ РФ по радонобезопасности являются: «О радиационной безопасности населения»; «О санитарноэпидемиологическом благополучии населения»; «Об охране окружающей среды»; «Об отходах производства и потребления»; «Об экологической экспертизе»; «Об особо охраняемых природных территориях». Основополагающими НД РФ, регламентирующими радонобезопасность людей, являются Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 и Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности ОСПОРБ-99/2010. Приведенные в законах и нормативных документах РФ требования радонобезопасности, а также допустимые значения эффективной дозы и уровни воздействия на население возможны для организации мониторинга радона и его ДПР на ликвидируемых шахтах ДНР. Однако количественные значения эффективных доз РФ отличаются от регламентируемых НРБ Украины. Директивные и международные НД, посвященные обеспечению радонобезопасности, разрабатывались Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), МКРЗ, Агентством по ядерной энергии, Организацией экономического сотрудничества и развития (АЯЭ/ОЭСР), Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), Международной организацией труда (МОТ), НКДАР ООН, Российской научной комиссией по радиационной защите и др. Анализ международных НД по теме радонобезопасности для населения и персонала показал отсутствие НД по части мониторинга

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве радона на ликвидируемых угольных шахтах и на поверхности их горного отвода. Выводы: 1. В ДНР законодательной и нормативной правовой базы по организации мониторинга радонобезопасности угольных шахт недостаточно. Поэтому необходимо пользоваться законодательной базой и международными нормативными документами по данной теме в соответствии с Постановлением СМ «О применении Законов на территории ДНР в переходный период». 2. Для осуществления мониторинга радона и его дочерних продуктов распада на ликвидируемых угольных шахтах ДНР необходимо применять требования и положения Норм радиационной безопасности Украины НРБУ-97, Основных санитарных правил противорадиационной защиты Украины ОСПУ2005, Норм радиационной безопасности НРБ 99/2009 РФ, Основных санитарных правил обеспечения радиационной безопасности ОСПОРБ-99/2010 РФ, Гигиенических требований по ограничению облучения населения за счет источников ионизирующего излучения (СанПиН 2.6.1.2800-10) РФ, международных директивных нормативных документов и международных основных норм радонобезопасности. Перечень ссылок 1. Запрудин В. Ф. Радиационная безопасность зданий с учетом инновационных направлений в строительстве [Текст]: учеб. пособие для вузов / В.Ф. Запрудин, А.С. Беликов, А.В. Пилипенко, Н.В. Савицкий, О.С. Гупало; под ред. докт. техн. наук, проф. А. С. Беликова; М-во образования и науки Украины, Приднепровская гос. академия строительства и архитектуры. – Днепропетровск: Баланс-Клуб, 2009, ‒ 352 с. 2. Правила безопасности в угольных шахтах [Текст]: НПАОТ 10.0-1.01-16: утв. совместн. приказом Гос. Комитета Гортехнадзора ДНР и М-ва угля и энергетики ДНР от 18.04.2016 г. № 36/208, зарегистрированы в М-ве юстиции ДНР 17.05.2016 г. под № 1284. - Макеевка: ЧП «Полипресс», 2016. – 219 с. 3. Провести сбор информации о нормативных документах по охране труда и промышленной безопасности (кроме НПАОТ), действие которых распространяется на предприятия угольной промышленности, осуществить их анализ и классификацию, составить первую редакцию перечня [Текст]: отчет о НИР (промежуточ.) / МакНИИ; рук. Герасименко В.Е.; исполн: Деревянский В.Ю. [и др.]. - Макеевка, 2018. - 184 с. - Библиогр: с. 20-22. - № ГР 0118D000100. 4. О применении Законов на территории ДНР в переходный период: [Текст]: Постановление № 9-1 от 02.06.2014г. Совета Министров ДНР [Электронный ресурс] - Архив официального сайта ДНР. Режим доступа: http://doc.dnronline.ru/doc/dokumenty-soveta-ministrov/postanovlenie-9-1-ot-02-06-2014g-o-primenenii-zakonov-na-territorii-dnr-v-perexodnyj-period.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831.322

АНАЛИЗ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО ВОПРОСАМ РАССЛЕДОВАНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ Т.Я. Мхатвари, О.Г. Кременев, В.И. Мушенко, Н.Л. Мусатова Государственное учреждение Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности, г. Макеевка, ДНР Приведен анализ нормативных документов по вопросам расследования и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах для разработки нормативного правового акта охраны труда «Инструкция по расследованию газодинамических явлений на угольных шахтах ДНР». The analysis of regulatory documents on the investigation and prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines for the development of a regulatory legal act of labor protection "Instructions for the investigation of gas-dynamic phenomena in the coal mines of the DPR." Ключевые слова: авария, анализ, расследование, нормативный документ, газодинамическое явление, угольная шахта. Keywords: accident, analysis, investigation, regulatory document, gas-dynamic phenomenon, coal mine. Аварийность и производственный травматизм в угольной промышленности находятся на высоком уровне. Одним из основных опасных производственных факторов, действующих в угольных шахтах, являются газодинамические явления (ГДЯ). В настоящие время методические вопросы по расследованию ГДЯ и планированию мероприятий по их предотвращению регламентируются «Методическими указаниями по расследованию и технической экспертизе ГДЯ на шахтах Донбасса» [1]. Эти указания имеют определенные недостатки, так как введены в действие 25 лет назад и не содержат отечественные и зарубежные достижения последних лет в области расследования и учета ГДЯ. Действующие нормативные документы предусматривают обязательное расследование всех несчастных случаев и аварий на производстве. С целью определения причин ГДЯ и разработки мер по их недопущению при расследовании подобных происшествий создается экспертная комиссия с привлечением специалистов-экспертов научно-исследовательских и других организаций. Для установления порядка расследования ГДЯ с

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве учетом специфики условий их возникновения и тяжести последствий, а также согласно ст.3 Закона ДНР «Об охране труда» [2] необходимо разработать научно обоснованный нормативный правовой акт охраны труда (НПАОТ) по расследованию таких аварий. Цель доклада – представить результаты анализа нормативных документов, регламентирующих расследование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. Методология исследования – анализ и синтез законодательных и нормативных документов, регламентирующих расследование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах, обобщение опыта работы специалистов МакНИИ в комиссиях по расследованию ГДЯ. На протяжении всех лет, прошедших после выхода ныне действующих методических указаний по расследованию и технической экспертизе ГДЯ на шахтах Донбасса [1] в МакНИИ и других институтах и организациях, занимающихся рассматриваемой проблемой, проводились и в настоящее время проводятся исследования, направленные на совершенствование существующих и создание новых способов прогноза и предотвращения как внезапных выбросов угля (породы) и газа, так и других видов ГДЯ. На основании этих исследований был разработан ряд нормативных документов, в той или иной мере касающихся затронутой проблемы. С целью использования этих документов при разработке НПАОТ был проведен анализ нормативных документов, разработанных и изданных за последние 25 лет. При этом изучались основные положения документов, сущность и область их применения. В результате принимались решения о принятии, отклонении, о включении документа в целом или отдельных его нормативных положений в разрабатываемый НПАОТ. При создании НПАОТ из методических рекомендаций [1] будут использованы основные положения по расследованию причин и обстоятельств газодинамических явлений, определению их видов и установлению факторов, определяющих их развитие. Из «Инструкции по применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах Украины» (1993) будут частично использованы: область применения, технология, организация производства и мероприятия по обеспечению безопасности взрывных работ на выбросоопасных пластах и при проведении выработок по выбросоопасным породам. Из «Руководства по применению способа дегазации и снижения выбросоопасности в нижней части полос, отрабатываемых щитовыми агрегатами, гидродинамическим воздействием через скважины» (1994) будут частично использованы

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве требования эффективного разупрочнения угля и дегазации выбросоопасного угольною пласта при его гидродинамической противовыбросной обработке с помощью специального устройства через скважины, пробуренные на угольный пласт. Из «Руководства по применению на шахтах Донбасса акустических способов контроля состояния призабойной части выбросоопасного пласта» (1996) будут учтены положения шести руководств по применению акустического способа контроля состояния призабойной части угольного пласта с целью: контроля выбросоопасности призабойной части массива в подготовительных и очистных выработках; определения величины зоны разгрузки призабойной части пласта; оперативного управления процессом гидрорыхления пласта; контроля расстояния от выработки до выбросоопасного пласта; текущего прогноза внезапных прорывов метана из почвы горных выработок. Из «Методических указаний по составлению технической документации по безопасной разработке пластов, склонных к газодинамическим явлениям на шахтах Донецкого бассейна» (1997) будут использованы методические указания и рекомендации по составлению комплекса мер по борьбе с ГДЯ на вскрытие, проведение подготовительных выработок и ведение очистных работ на выбросоопасных пластах и на его основании - на разработку паспортов вскрытий пластов и мероприятии по борьбе с ГДЯ для включения в паспорта ведения очистных и подготовительных работ. Из «Сборника нормативных документов по взрывным работам в угольных шахтах» (1999) будут частично использованы положения трех разделов (организация взрывных работ, ведение взрывных работ, учет и хранение взрывчатых материалов) и 5 приложений. Из «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (1999) будут учтены положения прогноза удароопасности угольных пластов, способы предотвращения горных ударов, методики построения защищенных зон и зон повышенного горного давления. Из «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (2000) будут использованы основные положения и Приложения, содержащие нормативные указания по ведению прогноза выбросоопасности угольных пластов и пород, применению региональных и локальных способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа и контролю их эффективности, а также мероприятия по обеспечению безопасности работающих. Из «Дополнения к новой редакции "Инструкции по безопасному ведению работ па пластах, склонных к газодинамическим явлениям" в

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве части выполнения комплекса мер безопасности при отработке целиков угля в зонах опорного горного давления и повышенного газовыделения» (2002) будет использован раздел, содержащий информацию о прогнозе опасности ГДЯ сейсмоакустическими методами с уточнением наличия границ выбросоопасных зон по выходу буровой мелочи (штыба) из контрольных шпуров и противовыбросные мероприятия при отработке целиков в опасных зонах установленных прогнозом. Из методических указаний «Прогноз выбросоопасности при вскрытии крутых и крутонаклонных пластав» (1999) будет частично использована методика прогноза выбросоопасности крутых и крутонаклонных пластов в месте вскрытия, основанная на учете содержания метана, воды и ее фазового состояния, прочности угля, степени его метаморфизма и глубины разработки угольного пласта в месте вскрытия. Из ныне действующих «Правил ...» [3] будут частично использованы основные положения и приложения, устанавливающие порядок и способы ведения горных работ, нормы и требования по применению мероприятий и средств обеспечения безопасности работников на пластах, склонных к газодинамическим явлениям. Из «Типового положения об участке вентиляции и техники безопасности шахты» (2005) частично будут использованы требования к участку вентиляции и техники безопасности шахты, в части ее структуры, контроля за соблюдением правил безопасности во время ведения горных работ, проветривания и противоаварийной защиты горных выработок, соблюдения пылегазового режима, охраны труда. Из «Правил прогноза выбросоопасности по сорбционным показателям угля» (2008) частично будут использованы правила определения выбросоопасных зон на опасных и угрожаемых по выбросам пластах крутого и пологого падения в подготовительных и очистных забоях по сорбционным показателям угля. Из «Правил пересечения горными выработками зон геологических нарушений на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа (2009) частично будут использованы правила прогноза и разведки геологических нарушений, оценки степени выбросоопасности угольных пластов и нарушенности пород кровли, применения противовыбросных мероприятий и способов предотвращения обрушений пород, технологии ведения горных работ и мер обеспечения безопасности работающих при пересечении нарушений горными выработками на пластах, опасных и угрожаемых по внезапным выбросам угля и газа. Из «Правил отнесения угольных пластов к категориям выбросоопасности (2011) частично будут использованы положения

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве порядка определения категории выбросоопасности шахтопластов. Из СОУ «Контроль за проведением способов и технологических процессов по параметрам акустического сигнала при вскрытии склонных к ГДЯ угольных пластов» (2011) частично будут использованы положения правил контроля технологических процессов при прогнозе ГДЯ, мер борьбы с ними при вскрытии угольных пластов горными выработками. Из СОУ-П «Прогноз и предотвращение выбросов песчаников на глубоких шахтах» (2012) частично будут использованы правила выполнения прогноза, оценки степени выбросоопасности, применения мероприятий, предотвращающих выбросы песчаника и газа или уменьшающих их частоту и интенсивность при проведении горных выработок. Из «Правил безопасности в угольных шахтах (2016) будут использованы нормы промышленной безопасности и охраны труда для шахт, определяющие порядок безопасного ведения горных работ, эксплуатации горношахтного, транспортного и электротехнического оборудования. На основании анализа вышеописанных нормативных правовых актов и других документов можно заключить, что все рекомендации, регламентирующие охрану труда и технику безопасности, касающиеся отработки пластов, склонных к ГДЯ, будут учтены при разработке НПАОТ «Инструкция по расследованию газодинамических явлений на угольных шахтах ДНР». Выводы: 1. Выполнен сбор информации о существующей организации работ по борьбе с газодинамическими явлениями и порядке их расследования и учёта. 2. Проведен анализ нормативных документов по вопросам расследования и предотвращения газодинамических явлений в угольных шахтах. Перечень ссылок 1. Методические указания по расследованию и технической экспертизе газодинамических явлений на шахтах Донбасса [Текст]: утв. Госуглепром Украины 01.12.1993 г. ‒ Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1994 г. – 50 с. 2. Донецкая Народная Республика. Закон «Об охране труда» [Текст]: № 31IHC от 03.04.2015, действующая редакция по состоянию на 21.04.2015 [Электронный ресурс] сайт: Народный Совет ДНР. Режим доступа: https://dnrsovet.su/zakon-dnr-ob-ohrane-truda/. 3. СОУ 10.1.00174088.011-2005 Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям [Текст]: утв. приказ Минуглепрома Украины от 30.12.2005 N 145. ‒ К.: Изд-во стандартов Украины, 2005. – 225 с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831.322:635

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОЯВЛЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА НА ШАХТАХ ДОНБАССА А.Г. Радченко, Н.Н. Киселев Республиканский академический научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (Министерство образования и науки ДНР, г. Донецк) А.А. Радченко Донбасская национальная академия строительства и архитектуры (Министерство образования и науки ДНР, г. Макеевка) На региональном уровне показана роль факторов горного и газового давлений в формировании и проявлении внезапных выбросов угля и газа на шахтах Донбасса At the regional level, the role of factors of mining and gas pressure in the formation and manifestation of sudden emissions of coal and gas in the mines of Donbass is shown Ключевые слова: выбросы угля и газа, горное давление, глубина разработки, газоносность, напряженное состояние, угольные пласты Keywords: coal and gas emissions, rock pressure, development depth, gas content, stress state, coal seams Согласно энергетической теории В. В. Ходота [1] выбросоопасность углей обусловлена совместным влиянием: 1) физикомеханических свойств угля; 2) газа, содержащегося в угле; 3) напряженного состояния угольного пласта. В работе [2] выполнено обоснование необходимости и важности учета также геодинамических и геомеханических процессов, происходящих в горном массиве. Поэтому, целями настоящей работы является рассмотрение влияния геодинамических и геомеханических процессов на формирование и проявление выбросоопасности углей различного марочного состава. В Донбассе погружение геологических слоев происходило неравномерно: восточные части Большого Донбасса были погружены на глубины 9,0 – 12,0 км, а западные части погружались на глубину 1,0 – 3,0 км. Вмещающие породы, залегающие в районах 75

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве расположения углей марок Т, ПА и А, характеризуются высокой плотностью, низкой газопроницаемостью и пониженной газоносностью, для выше указанных пород характерны зависания пород основной кровли и образования породных слоев – мостов. Как правило, мощные слои песчаников создают дополнительные напряжения в угольных пластах. Для углей марок ПА и А глубина расположения поверхности метановой зоны составляет Н о = 50 – 300 м, эти угли характеризуются высокими значениями: природной газоносности, сорбционной способности и крепости, способны накапливать значительные количества энергии, энергия активации диффузии метана для антрацитов составляет Еактив = 50,194 кДж / моль (табл. 1). Таблица 1 – Глубины погружения углей различных марок в Донбассе Показа -тели Нпогр, км Grad Мпол Еактив

Марки углей Ж К, ОС

1,4 – 2,9 0,3

2,9 – 4,4 0,7

5,0 – 6,5 1,8

3,7– 5,0 1,8

ПА

6,5 – 7,3 0,9

7,3 – 8,8 0,4

8,8 – 12,0 0,2

25,88; 32,59 – 50,19 29,24 Для углей марок А минимальные глубины проявления внезапных выбросов угля и газа –Н мин в Донбассе составляют: а) для пластов пологого падения Нмин = 106 м ; б) для пластов наклонного и крутого падений Нмин = 190 м, (табл. 2). Следует отметить, что в нормативном документе [3] значения Нмин норм по Донбассу даны с ошибками и без разделения пластов: а) на пологое падение, б) на наклонное и крутое падения, см. табл. 2. Таблица 2 – Минимальные глубины проявления внезапных выбросов угля и газа –Нмин, м в Донбассе за период 1946 – 2008 гг. 45,66

41,07

31,87

Группы

1-я

2-я

Значения Vdaf, %

> 35,0

35,0 ÷ 29,1

3-я 29,0 ÷ 25,1

Марки

Д, Г

Г, Ж

Ж, К К, ОС

Нмин-пол.

617

410

487 76

4-я 25,0 ÷ 18,1

310

5-я 18,0 ÷ 13,1 ОС, Т 286

6-я 13,0 ÷ 9,1

7-я

254

106

≤ 9,0

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Группы 1-я 2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я Nв, ед-пол. 6 102 30 144 576 19 214 Нмин-нак+кр 360 374 320 256 314 286 190 Nв, ед -нак+кр 35 129 60 324 326 215 78 Нмин норм, м 400 380 320 270 230 230 150 Например, в 1-й группе метаморфизма на пластах наклонного и крутого падений первые внезапные выбросы угля и газа были зафиксированы на глубине Нмин = 360 м, а по данным нормативного документа [3] Нмин норм= 400 м и с этой глубины должен вводиться текущий прогноз выбросоопасности угольных пластов. Для марок углей ПА и А ведущую роль в проявлении внезапных выбросов угля и газа играют высокая газоносность и крепость углей, горное давление играет менее заметную роль. Вмещающие породы, залегающие в районах расположения углей марок Ж, К и ОС, характеризуются средними значениями плотности, газопроницаемости и газоносности, глубина расположения поверхности метановой зоны Но = 100 – 350 м. Угли марок Ж, К и ОС характеризуются более низкой природной газоносностью, имеют высокие значения дробимости, разрушаемости, сорбционной способности и сорбционной набухаемости. Средние значения энергии активации диффузии метана для этих углей согласно [4] минимальны, так, для коксующихся углей Еакт = 25,879 кДж / моль (табл. 1). Для углей марок К, ОС и Т характерен максимум генерации тяжелых углеводородов: этана, пропана и бутана, [5]. Для углей марок К и ОС минимальные глубины проявления внезапных выбросов угля и газа в Донбассе составляют; а) на пологих пластах Н о = 310 м; б) для пластов наклонного и крутого падений Но = 256 м, (табл.2). Анализ литературы показал, что наибольшие средние значения полного градиента метаморфизма в % Vdaf на 100м – (Grad Мпол) для пластов пологого падения наблюдаются у марок углей Ж, К и ОС (табл.1). Бо'льшая восприимчивость к факторам метаморфизации углей марок Ж, К является следствием неустойчивости их структуры, следствием присутствия свободных радикалов [5]. У углей марки 6 ОС наблюдается первый максимум в размерах пор, для них диаметр пор составляет dпор = 0, 20 мкм; угли этой марки характеризуются высокой степенью выбросоопасности, второй максимум роста диаметра пор наблюдается у антрацитов. Породы, которые залегают в районах расположения углей марок Д и Г характеризуются более низкими значениями плотности и газоносности, они отличаются повышенной пористостью и газопроницаемостью, глубина расположения поверхности метановой 77

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве зоны здесь составляет Но = 100 – 400 м и более. Угли марок Д и Г имеют повышенные значения крепости, удельного веса по сравнению с углями марок Ж, К и ОС. Для углей марок Д и Г минимальные глубины проявления выбросов в Донбассе составляют: а) для пологих пластов Нмин = 617 м ; б) для пластов наклонного и крутого падений Нмин= 360м, (табл. 2). Угли способны накапливать значительное количество энергии, энергия активации диффузии метана для углей марки Д составляет Еактив = 45,663 кДж / моль. Более детальный анализ данных таблицы 2 показал следующее. Впервые установлено, что минимальная глубина проявления первых внезапных выбросов угля и газа в Донбассе – Нмин для групп метаморфизма углей № № 5, 6 и 7 на пластах пологого падения имеет меньшие значения по сравнению с пластами наклонного, крутого падений: а) группа 5, Н мин пол / накл+кр = 286 м / 314 м; б) группа 6, Н мин пол / накл+кр = 254 м / 286 м; в) группа 7, Н мин пол / накл+кр = 106 м / 190 м. Также впервые установлено, что минимальная глубина проявления первых внезапных выбросов угля и газа в Донбассе – Нмин для групп метаморфизма углей № № 1, 2, 3 и 4 на пластах пологого падения имеет существенно большие значения по сравнению с пластами наклонного, крутого падений: а) группа 1, Н мин пол / накл+кр = 617 м / 360 м; б) группа 2, Н мин пол / накл+кр = 410 м / 374 м; в) группа 3, Н мин пол / накл+кр = 487 м / 320 м; г) группа 4, Н мин пол / накл+кр = 310 м / 256 м. Необходимо рассмотреть физическую сущность установленных закономерностей. В группах метаморфизма углей № № 5, 6 и 7 минимальная глубина проявления первых внезапных выбросов угля и газа Нмин на пластах наклонного, крутого падений имеет большие значения в связи с большей степенью дегазации этих пластов по сравнению с пластами пологого падения. На пластах наклонного, крутого падений на данных глубинах (до 300-400 м) в меньшей степени сказываются факторы влияния горного давления и зависания пород кровли. В группах метаморфизма углей № № 1, 2, 3 и 4 минимальная глубина проявления первых внезапных выбросов угля и газа Нмин на пластах наклонного, крутого падений имеет меньшие значения по сравнению с пластами пологого падения. Это связано с существенным влиянием гравитационных сил ( большие углы падения пластов) в совокупности с ростом горного давления при увеличении глубины разработки угольных пластов.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Выводы: 1. В ряду метаморфизма углей с ростом степени их углефикации роль горного давления ослабевает и усиливается роль газового давления и фактора высокой природной газоносности углей. 2. Наиболее потенциально выбросоопасными являются угли марок ОС и Т(4-я и 5-я группы метаморфизма). 3. Впервые установлено, что в Донбассе на пластах наклонного и крутого падений первые внезапные выбросы угля и газа, произошедшие в 1-й, 2-й, 3-й и 4й группах метаморфизма (марки углей Д, Г, Ж, К, ОС), зафиксированы на меньших глубинах по сравнению с этими же марками углей, залегающими на пластах пологого падения. 4. Также впервые установлено, что на пластах наклонного и крутого падений первые внезапные выбросы угля и газа, произошедшие в 5-й, 6-й и 7-й группах метаморфизма, зафиксированы на больших глубинах по сравнению с этими же марками углей, залегающими на пластах пологого падения Перечень ссылок 1. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля, породы и газа [Текст] / В. В. Ходот – М.: Госгортехиздат, 1961. – 363 с. 2. Минеев, С. П. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах: [монография], [Текст] / С. П. Минеев, А. А. Рубинский, О. В. Витушко, А. Г. Радченко // Донецк: ООО Сх дний видавничий д м , 2010. 603 с. 3. СОУ 10.1.00174088.011 – 2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям [Текст] / Киев, Минуглепром Украины. 2005. – 225 с. 4. Алексеев, А. Д. Прогнозирование неустойчивости системы уголь – газ [Текст] / А. Д. Алексеев, Г. П. Стариков, Г. П. Чистоклетов // Донецк, изд-во Ноулидж (донецкое отделение), 2010. – 343 с. 5. Анциферов, А. В. Газоносность угольных месторождений Донбасса [Текст] / А. В. Анциферов, М. Г. Тиркель, М. Т. Хохлов, В. А. Привалов, А. А. Голубев, А. А. Майборода, В. А. Анциферов // Киев, Наукова думка.– 2004.– 231с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 666.972.16

ПРИМЕНЕНИЕ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ВТОРИЧНОГО АЛЮМИНИЯ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА Н.А. Скачко ГОУ ВПО «Луганский национальный университет им. В. Даля», г. Луганск, ЛНР В статье рассмотрена возможность применения техногенных отходов производства вторичного алюминия для ускорения процесса твердения цементного камня. Показан химический и гранулометрический состав отходов. Изучена кинетика изменения температуры цементного теста разного состава. Показано изменение прочности на сжатие при различных сроках твердения. In article the possibility of application of technogenic production wastes of secondary aluminum for acceleration of process of curing of a cement stone is considered. The chemical and particle size distribution of waste is shown. The kinetics of change of temperature of the cement test of different structure is studied. Change of durability on compression at various terms of curing is shown. Ключевые слова: отходы, оксид алюминия, тепловыделение, прочность на сжатие Keywords:waste, aluminum oxide, thermal emission, durability on compression Проблема снижения потребления энергии в производстве бетонных и железобетонных изделий всегда является актуальной. Энергетическая ситуация несмотря на наличие огромной доли мировой добычи энергоносителей такова, что рассмотрение всех предложений, направленных на снижение энергозатрат в процессах производства и потребления материальной продукции, является насущной потребностью[1, 2]. Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов дает экономический и экологический эффекты. Однако, для этого необходимо научно-обоснованные способы их применения, базированные на знании химического состава и агрегатного состояния и выборе оптимального объекта (базового материала) их применения.Одним из таких объектов является алюмошлак - продукт переработки отвального шлака, образующегося при плавке вторичного алюминия [3].

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Целью работы является проведение исследований химического, гранулометрического состава алюмошлака, определение тепловыделения цемента и вяжущих в процессе гидратации, определение прочности на сжатие разных составов при различных сроках твердения. Для проводимых исследований использовали отходы производства вторичного алюминия завода «Интерсплав» ЛНР. Химический состав алюмошлака приведен в таблице 1. Таблица 1 - Химический состав шлака производства вторичного алюминия Химический состав шлака, % Al Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 NaCl KCl S P Остальное мет. 57,0 11,1 7,2 5,0 4,8 3,4 0,21 0,05 0,01 11,24 Определение распределения частиц по размерам выполняли на лазерном анализаторе размера частиц Horiba Laser Scattering Particle Size Distribution Analyzer LA-960 (рис. 1).

Рис. 1. Распределение частиц алюмошлака по размерам Из рис. 1 видно, что размер частиц исходного алюмошлака находится в диапазоне от 2 до 900 мкм и средний размер частиц составляет 54 мкм. Данная система является бимодальной. Исходный алюмошлак размалывали в молотковой мельнице. В результате размер частиц составил 1-90 мкм, средний размер уменьшился до 25 мкм. Система является одномодальной. Время измельчения алюмошлака составило 130 с, удельная поверхность 400 м2 /кг. На установке для регистрации кинетики изменения температуры

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве цементного теста определяли тепловыделение цемента и вяжущих в процессе гидратации (рис. 2). Наложение тепловыделения при твердении цементного теста и теплоты экзотермических реакций алюмошлака в количестве 2% обеспечивает повышение температуры до 47,5оС. Увеличение содержания добавки алюмошлака до 1% обеспечивает увеличение количества теплоты и продолжительности экзотермических реакций [4]. Температура повышается до 52оС и в течение 24 часов вяжущее не успевает остыть, что приводит к низкой прочности.

Рис 2. Кинетика изменения температуры цементного теста: 1цемент, 2 – цемент+1,2% алюмошлака, 3 – цемент+ 2,2% алюмошлака При нагревании до 1400 °С алюмошлак не спекается. Потери при прокаливании не превышают 16%. Практически вся гидратная влага уходит до300°С, что свидетельствует о том, что алюминий находится в шлаке в видеоксида, а гидратная влага связана с хлоридами металлов.В исходных пробах определен минеральный состав методом дифференциального термического анализа. Дифференциальный термический анализ показал, что эффекты дегидратации при 150°С относятся к соединениям гидрооксоалюминатов калия и натрия состава Al(OH)4],Na[Al(OH)4].Эндотермические эффекты при 270°С, 350410°С и 510-530°С относятся к ступенчатой дегидратации γAl(OH)3,называемого гиббситом или гидраргиллитом. Его образование связано со способностью технического глинозема сорбировать воду из воздуха, чему дополнительно способствует наличие флюсовых солей KClи NaClв отходах. Кроме эндотермических эффектов на кривых нагревания получено рядэкзотермических эффектов. Первый из них начинается после 300°С. Он обусловлен перекристаллизацией гелеобразной массы после дегидратации при 270°С, а также выгоранием

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве органических углеродсодержащихсоединений.Второй экзотермический эффект наблюдается при температуре 610°С. Онсвязан с окислением металлического алюминия и сопровождается приростоммассы, фиксируемой на гравиметрической кривой.Третий экзотермический эффект имеет смещение от 740 до 890°С и обусловлен переходом глинозема из γ -модификации в αмодификацию. Из-за высокой удельной поверхности добавки нормальная густота цементарезко возрастает, поэтому для снижения водопотребности вводили супер пластификатор С-1. Определяли прочность модифицированного цементного камня различного состава (табл. 2). Таблица 2 – Составы и прочность модифицированного цементного камня № состава

Цемент, г

Вода, мл

С-1, %

АШ, %

1 2 3 4

500 500 500 500

120 103 101 101

1 1 1

2,2 1,2 0,5

В/Ц

0,24 0,22 0,20 0,19

Прочность на сжатие, МПа 12 ч 1 сутки 28 суток 15,2 38,4 86,4 38,8 54,3 109 32,8 43,2 105 30,8 40,5 100

Видно, что оптимальной дозировкой добавки алюмошлака является 2,2% (состав 2), так как при данной дозировкенаблюдается наибольшее увеличение прочности в 12 часов твердения идалее. Прочность в 12 часов в 2,55 раза больше, чем у бездобавочного состава. Выводы: Предварительные исследования применения добавки алюмошлака для модификации цементного камня показали, что в состав шлака в достаточном количестве входит оксид алюминия, что даст возможность ускорить процесс твердения. Прочность на сжатие получена для модифицированного цементного камня, в состав которого входит 2,2% добавки алюмошлака. Перечень ссылок 1.Жадановский, Б.В.Прямые и косвенные энергозатраты при производстве бетонных и железобетонных изделий, конструкций и сооружений / Б.В. Ждановский, К.А. Исрафилов, А.К. Ахмедов.- Системные технологии, 2018, №26. - С.117-124. 2.Осипов, А.М. Бетонирование при низких температурах / А.М. Осипов. Инженерный вестник Дона, 2012, №3. - С. 126-130. 3.Рябичева, Л.А.Алюмошлаки как эффективная добавка для ускорения гидратации и твердения цементного камня и бетонов / Л.А. Рябичева, Н.А. Скачко, И.Ю. Дегтярь. -Сб.науч.тр. Ресурсосберегающие технологии

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве производства и обработки давлением материалов в машиностроении, 2017, №4 (21). - С. 96-100. 4.Рябичева Л.А., Влияние добавок алюмошлака на тепловыделение цемента / Л.А. Рябичева, Н.А. Скачко. -Сб.науч.тр. Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении, 2019, №1 (26). – С. 102-108.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.807

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕЙ ЭЖЕКТОРНОЙ УСТАНОВКИ А. С. Кныш, О. Л. Кизияров ГОУ ВПО «Донбасский государственный технический университет», г. Алчевск, ЛНР Приведены результаты численного моделирования эжекторной установки с помощью ПК Ansys Fluent. Рассмотрен процесс улавливания частиц угольной пыли эжекторной установкой. Получены оптимальные значения геометрических параметров эжектора, а также рациональные параметры распыления потока жидкости с позиции эффективности пылеулавливания. The results of numerical modeling of the ejector plant with the help of Ansys Fluent PC are given. The process of collecting the particles of coal dust by the ejector unit is considered. Optimal values of ejector geometry parameters are obtained, as well as rational parameters of liquid flow spraying from the position of dust collection efficiency. Ключевые слова: пылеулавливание, эжекторная установка, Ansys Fluent, параметры установки. Keywords: dust collection, ejector plant, Ansys Fluent, installation parameters. Пылеобразование – вредный и опасный производственный фактор, который способствует возникновению профзаболеваний, снижает срок эксплуатации горно-шахтного оборудования, а также повышает риск возникновения аварий, вследствие взрыва угольной пыли. В процессе добычи и транспортировки угля основными источниками пылеобразования на горных предприятиях являются очистные и проходческие забои, на долю которых приходится порядка 60 % пылеобразования. При этом концентрации пыли могут достигать 1500…2000 мг/м³. Помимо этого, процесс погрузки угля с конвейера на конвейер оказывает большое влияние на интенсивность пылеотложения и достигает около 10 % от общего пылеобразования, а концентрации пыли достигают 650 мг/м³ и выше [1]. В большинстве случаев протяженность транспортной цепочки на выемочном участке превышает 1000 м, что требует применения двух-четырех (а иногда и более) перегрузочных пунктов [2]. Концентрация пыли в очистных и участковых выработках зачастую превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДК) в несколько раз, в связи с чем, снижение

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве запыленности воздуха до необходимого уровня, в том числе и на перегрузочных пунктах, является актуальной научной задачей. Основным способом снижения пылеобразования на пунктах перегрузки является увлажнение горной массы с применением водораспылительных форсунок. Согласно действующим нормативным документам, увеличение влажности угля на 1% приводит к снижению его цены также на 1%, что является существенным недостатком данного способа. С целью снижения пылеобразованиия перспективным направлением является применение эжекторных установок. Рядом авторов [3-4] в производственных условиях проведены экспериментальные исследования эжекторов-пылеуловителей, показав их высокую эффективность, однако, влияние параметров установки на эффективность гидропылеулавливания изучено не достаточно. Цель работы – оптимизация рабочих параметров эжекторной установки на перегрузочных пунктах транспортных звеньев шахты исходя из позиции эффективности пылеулавливания. Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: разработать параметрическую численную модель эжекторной установки с возможностью изменения параметров ее работы в широком диапазоне; исследовать влияние геометрического положения сопла относительно устья установки, угла распыла сопла и давления нагнетания жидкости на характер движения угольных частиц в эжекционной камере, а также эффективность пылеулавливания. Для решения задачи использован программный комплекс Ansys Fluent. В качестве модели принята трехфазная модель турбулентности Realizable k-epsilon [5]. На рисунке 1 представлена расчетная схема моделирования работы эжекторной установки.

Рисунок 1 – Расчетная схема эжекторной установки

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Эжекторная установка и зона перегрузочного пункта разбиты на конечные объемы, затем заданы граничные условия: на входе в расчетную область (CD) – скорость движения пылевоздушной смеси vп.в ; на сопле (IJ) – давление распыления жидкости Pрасп. ; на участке (AH) задавалось граничное условие trap, т.е. происходит отслеживание доли частиц, достигших этой стенки; на участке (FE) задавалось граничное условие escape, т.е. частицы, достигшие этой стенки, покидают расчетную область; на остальных участках задавались значения нулевых скоростей. Моделирование производилось для следующих условий: внутренний диаметр эжекторной камеры AH = 0,3 м; диаметр устья эжекторной камеры CF = 0,5 м; длина эжекционной камеры AC = 0,6 м; высота пересыпа DE = 0,5 м; ширина участка поступления пылевоздушной смеси CD = 0,4 м; количество поступающей пылевоздушной смеси – 100 мг/м³; давление нагнетания жидкости в форсунку Pрасп. = 0,25…2,0 МПа; диаметр угольных частиц 10…70 мкм; диаметр частиц воды 10…100 мкм; угол распыла сопла  = 20…80°. Эффективность пылеулавливания оценивалась коэффициентом Кп, определяемым как отношение масс угольных частиц на выходе из эжекторной установки и поступающих. На первом этапе проанализировано изменение угла распыла сопла  при величине смещения сопла внутрь эжекционной камеры а = 0,25 м и давлении распыления жидкости Pрасп. = 1,0 МПа. На рисунке 2 представлены траектория движения угольных частиц и векторы скоростей пылевоздушного потока. Как показали исследования, с увеличением угла распыла с 20º до 40…55º эффективность улавливания пыли возрастает от 78% до 88%, соответственно. Дальнейшее увеличение угла распыла приводит к резкому снижению эффективности улавливания, вплоть до нулевых значений (рисунки 2-а-I и 2-б-I). Такой эффект возникает из-за того, что с увеличением угла распыла форсунки, позади нее образуются турбулентные потоки, векторы которых направлены в противоположную сторону общего потока, что препятствует захвату частиц пыли (рисунки 2-а-II и 2-б-II). Далее исследовано влияние изменения положения сопла относительно устья эжекционной камеры при  = 50°. Согласно расчетам, по мере сдвижения сопла вглубь эжекционной камеры с 0,05 до 0,25 м, эффективность улавливания пыли возрастает от 73% до 88%. Дальнейшее сдвижение сопла вглубь эжекционной камеры не оказывает существенного эффекта.

Рисунок 2 – Траектория движения угольных частиц I и векторы скоростей пылевоздушного потока II

б) угол распыла форсунки 80°

а) угол распыла форсунки 50°

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве На рисунках 3, 4 представлены графики зависимости коэффициента пылеулавливания эжекторной установки от угла распыла жидкости и сдвижения сопла вглубь эжекционной камеры.

Рисунок 3 – График зависимости коэффициента пылеулавливания эжекторной установки Кп от угла распыла жидкости φ

Рисунок 4 – График зависимости коэффициента пылеулавливания эжекторной установки Кп от величины сдвижения сопла вглубь эжекционной камеры а Согласно исследованиям, с увеличением давления до 1,0…1,5 МПа улавливание частиц достигает 89%. Дальнейшее увеличение давления распыления не приводит к существенному увеличению эффективности пылеулавливания, однако приводит значительному росту расхода воды. Так, при величине давления распыления 0,25 МПа расход воды составляет 2…2,5 л/мин, а при давлении Pрасп. = 2,0 МПа расход превышает 20 л/мин, что требует наличие емкостей больших объемов для своевременной седиментации.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Эффективность эжекторной установки на перегрузочных пунктах может превышать 90%, что позволяет в полной мере обеспечить снижение концентрации пыли до ПДК на перегрузочных пунктах. 2. Определены оптимальные параметры эжекторной установки, а именно: – сдвижение сопла внутрь эжекционной камеры на величину не менее 0,25м; – угол распыла сопла  ≈ 50º; – рекомендуемое давление распыления жидкости Pрасп. = 1,0…1,5 МПа. Пыль, попадающая в эжекторную установку, может в дальнейшем использоваться в качестве брикетированного угля, что позволит повысить экономическую эффективность пылеулавливания. Перечень ссылок 1. Повышение безопасности конвейерного транспорта в горных выработках угольных шахт: моногр. / Е. А. Новикова – Д.: Национальный горный университет, 2013. – 99 с. 2. Справочные данные по ленточным конвейерам [Электронный ресурс] – режим доступа: https://miningwiki.ru. 3. Яценко А. Ф. Теоретические и экспериментальные исследования водовоздушного эжектора / А. Ф. Яценко, Т. А. Устименко // Научн. труды ДонНТУ. – Д. – С 247-252. 4. Тишин Р. А. Комплексная технология гидравлического охлаждения и обеспыливания рудничного воздуха / Р. А. Тишин, А. А. Попов // МакНИИ, ДонНТУ, с 37-42. 5. Выбор модели турбулентности [Электронный ресурс] – режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=iY_g247rJk0.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831.322:635

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВПЕРЕДИ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ЛАВЫ НА ПОЛОГОМ УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ Н. Н. Киселев, А. Г. Радченко, Л. Н. Крижановская Республиканский академический научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (Министерство образования и науки ДНР, г. Донецк) А. А. Радченко Донбасская национальная академия строительства и архитектуры (Министерство образования и науки ДНР, г. Макеевка) В статье рассмотрены особенности изменения напряженного состояния впереди действующей лавы на пологом угольном пласте The article discusses the peculiarities of changing the stress state in front of the current lava on a gentle coal seam. Ключевые слова: выбросы угля и газа, горное давление, глубина разработки, газоносность, закономерности, напряженное состояние Keywords: coal and gas emissions, rock pressure, development depth, gas content, patterns, stress state Решению задачи о распределении напряжений впереди проводимой горной выработки были посвящены работы: Г. И. Баренблатта, С. А. Христиановича, В. Г. Гмошинского, В. В. Ходота, С. В. Кузнецова, О. И. Чернова, В. И. Мурашева, Я. Г. Шлиомовичуса, И. М. Петухова, А. М. Линькова и многих других. Приводимые авторами аналитические расчеты величины зоны разгрузки в призабойной части угольного пласта - ℓразг дают разные значения, которые не всегда соответствуют фактическим данным. Это связано прежде всего с многообразием горно-геологических условий в которых ведутся горные работы. С увеличением глубины ведения горных работ на шахтах растет энергия горного массива, напряженное состояние и давление газов в угольных пластах. Разработка угольных пластов в Донбассе сопровождается внезапными выбросами угля и газа, динамичными посадками основной кровли и т. д. В связи с этим возникает задача исследования особенностей изменения напряженно-деформированного состояния, которое формируется впереди движущегося

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве очистного забоя с целью определения безопасной глубины выемки угольного пласта. В связи с выше сказанным, целью данной работы является рассмотрение особенностей изменения опорного давления, возникающего впереди забоя движущейся лавы. Важную роль в формировании расстояния до максимума опорного давления – ℓмакс играют следующие факторы: состав пород непосредственной и основной кровель, их мощности и крепости, порядок чередования слоев, шаг посадки основной кровли и т. д. Необходимо отметить, что перед посадкой основной кровли максимум опорного давления – Ϭ макс находится на расстоянии – ℓо, м (рис.1, график 1) от плоскости забоя; а после посадки основной кровли Ϭ макс перемещается в глубину пласта на расстояние ℓt 1, затем удаляется от плоскости забоя на расстояние ℓt 2 (рис.1, графики 2 и 3). При дальнейшем подвигании лавы и зависании пород кровли Ϭмакс возвращается в положение ℓt 1 (рис.1, график 2) и затем в положение ℓ0, т. е. приближается к плоскости забоя (рис.1, график 1). В дальнейшем по мере подвигания лавы циклы поступательновозвратных перемещений Ϭмакс повторяются. С ростом глубины ведения горных работ удельные статические и динамические нагрузки на угольный пласт возрастают, при этом растут: величина опорного давления Lоп, градиенты нарастания напряжений Ϭу-1 в области пластического состояния пласта (рис. 2, кривая А – В – С). В связи с этим растут и градиенты давления газов в пласте.

Рис. 1 Изменение расстояния ℓмакс, м до максимума опорного давления во времени В работе [1] В. В. Ходот вводит понятие фиктивного увеличения выработки. Автором величина фиктивного увеличения выработки хо принимается равной расстоянию от груди забоя до точки, где

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

, т. е. выработка увеличивается на длину призабойной части угольного массива, напряжения в которой ниже первоначальных (рис. 2).

Рис. 2 Схема распределения напряжений впереди лавы по [1] Согласно [1], напряженное состояние угольного пласта получают путем совмещения эпюр напряжений в областях предельного (пластического) - Ϭу-1 и упругого состояний - Ϭу-ІІ. По данным [1], нормальные к плоскости пласта напряжения Ϭу-1 в зоне предельного напряженного состояния описываются уравнением : где К - коэффициент сцепления угля; определение величин ν, φ, λ выполняют по следующим формулам:

где ν, φ, λ – константы, зависящие от угла внутреннего трения угольного пласта; ρ – угол внутреннего трения угля, град.; fтр - коэффициент трения угля; m – мощность пласта, м; x – расстояние от забоя до соответствующей точки массива, м. В области упругого состояния угольного массива (x x1) напряжения рассчитывают по формуле:

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

где γН – первоначальные напряжения на глубине разработки Н; r – половина ширины выработки. Здесь хо - величина фиктивного увеличения выработки, которая определяется по формуле:

В работе [2] указывается, что при подвигании лавы между двумя посадками основной кровли расстояние от поверхности забоя до максимума опорного давления - х1 и коэффициент концентрации напряжений – К кон непрерывно изменяются. По данным [2], горные работы на шахте «Северная» в Кузбассе характеризовались следующими горно-геологическими условиями: глубина разработки Н = 300 м, мощность пласта - 4,0 м, шаг посадки основной кровли Lпос = 15 м. При пересечении лавой участка угольного пласта с крепостью f = 0,5 усл. ед. расстояние до максимума опорного давления составило х1 = 7,9 м и коэффициент концентрации напряжений Кконц = 1,69. А при работе лавы на участке с крепким углем f = 1,0 усл. ед. расстояние до максимума опорного давления составило х1 =1,21 м и Кконц =1,88. Рассмотрим роль влияния геомеханических факторов на изменение величины зоны разгрузки в призабойной части угольного пласта - ℓразг при увеличении глубины ведения горных работ. С ростом глубины ведения горных работ протяженность зоны опорного давления впереди движущейся лавы –Lоп увеличивается, а также растут: удельные нагрузки опорного давления на угольный пласт, градиенты давления горных пород и давлений газов. Расстояние до максимума опорного давления увеличивается, на бо'льших по размерам площадях наблюдается концентрация напряжений в угольном пласте и вмещающих породах. Необходимо отметить, что изменения физико-механических свойств по площади угольного пласта, его напряженного и газодинамического состояний характеризуется значительной неоднородностью. Поэтому, даже на небольших расстояниях как по простиранию, так и по падению пласта величины зоны разгрузки в призабойной части угольного массива изменяются в широком диапазоне и характеризуются высокими значениями коэффициентов вариации. Обобщение опыта ведения горных работ в Донбассе в сложных горно-геологических условиях показало, что с ростом глубины ведения горных работ снижается частота и увеличивается интенсивность выброшенной массы угля при внезапных выбросах угля и газа [3].

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Выводы: 1. После посадки основной кровли происходит отодвигание максимальных напряжений в глубину массива и одновременно снижение коэффициента концентрации напряжений в зоне опорного давления. При дальнейшей работе лавы максимальные напряжения, возникающие в угольном пласте, вновь приближаются к поверхности забоя. 2. С ростом глубины ведения горных работ удельные статические и динамические нагрузки на угольный пласт возрастают, растут: величина опорного давления Lоп, градиенты нарастания напряжений Ϭу-1 в области пластического состояния пласта, градиенты давления газов в пласте. В связи с этим с ростом глубины ведения горных работ снижается частота и увеличивается интенсивность выброшенной массы угля при внезапных выбросах угля и газа 3. При решении задач о распределении напряжений впереди проводимой горной выработки необходимо учитывать следующие важные факторы: фактор газового давления в пласте, состав, строение, мощности и крепости пород непосредственной и основной кровель. 4. К наиболее надежным методам определения величины зоны разгрузки в призабойной части угольного массива относятся комплексные шахтные геофизические методы исследований. Перечень ссылок 1. Ходот, В. В. Внезапные выбросы угля, породы и газа [Текст] / В. В. Ходот – М.: Госгортехиздат, 1961. – 363 с. 2. Шлиомовичус, Я. Г. Уточнение метода расчета напряжений впереди очистной выработки, проводимой по выбросоопасному пласту [Текст] / Я. Г. Шлиомовичус // В кн.: Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды ВостНИИ. Том ХII. Кемерово. 1972. – С. 65 –76. 3. Минеев, С. П. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах: [монография], [Текст] / С. П. Минеев, А. А. Рубинский, О. В. Витушко, А. Г. Радченко // Донецк: ООО «Східний видавничий дім», 2010. 603 с.

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.8:614.8.01

РАНЖИРОВАНИЕ ПРИЧИН ТРАВМАТИЗМА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ МЕТОДОМ РАНГОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ В.Ю. Деревянский Государственное учреждение «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности», г. Макеевка, ДНР Разработан метод ранговых коэффициентов для оценки влияния причин на травматизм, позволяющий оценивать причины на основе структуры функции опасности шахтной производственной системы. Приведен пример ранжирования причин несчастных случаев с использованием этого метода. The method of grade coefficients is developed for the estimation of influence of reasons on a traumatism, allowing to estimate reasons on the basis of structure of function of danger of the mine production system. The example of ranging of reasons of accidents is resulted with the use of this method. Ключевые слова: травматизм, шахтная производственная система, ситуация травмирования, причина. Keywords: traumatism, mine productive system, situation of injuring, reason. Обоснование разработки способов и средств защиты шахтеров от воздействия опасных производственных факторов и планирование мероприятий по предотвращению травматизма осуществляются на основе анализа происшедших несчастных случаев (НС) и предусматривают количественную оценку влияния причин на травматизм. Результаты такой оценки позволяют составлять ранжированные ряды причин и определять наиболее важные из них с точки зрения профилактики. Наиболее предпочтительным методом оценки причин травматизма является вероятностный метод [1,2]. Однако его применение на практике встречает значительные трудности при сборе необходимых для расчетов вероятностных данных. Как было установлено ранее [3,4], на вероятность опасного функционирования шахтной производственной системы (ШПрС) (иначе – вероятность возникновения НС) влияют вероятностные значения причин травматизма и структура функции опасности указанной системы (ФОС). Поэтому при отсутствии вероятностных

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве значений целесообразно оценивать причины на основе структуры ФОС. На основании вышеизложенного, важным направлением совершенствования методологической базы анализа и профилактики травматизма является разработка методов структурной оценки причин НС. Целью статьи является разработка метода ранговых коэффициентов, позволяющего оценивать причины травматизма на основе структуры ФОС. Для достижения цели требуется решить следующие задачи: разработать метод ранговых коэффициентов для оценки причин травматизма на основе структуры ФОС; привести пример оценки причин предлагаемым методом с помощью ФОС сложной структуры. Предлагаемый метод основан на ситуационном подходе к исследованию и профилактике травматизма [4]: к НС приводит «ситуация травмирования человека» (СТ) – определенная комбинация причин НС или одна определенная причина. Как показывает практика, чаще всего к травматизму приводит комбинация из двух и более причин, и ее можно представить в виде элементарной конъюнкции (логического произведения) причин: r

K  x1  x2  ,...,  xr   xi . , i 1

где К – СТ; х1, х2,…, хr – причины НС; r – количество причин в СТ (ранг конъюнкции); i – порядковый номер причины НС;  – знак логического умножения (конъюнкции). Из этого условия следует, что исключение минимум одной причины из СТ приводит к невозможности возникновения НС. Каждый случай производственного травматизма на угольной шахте происходит в пределах ШПрС «человек-средства труда-среда». В любой реальной ШПрС травматизм по какому-либо опасному производственному фактору обусловлен, как правило, не одной, а множеством СТ. Анализ актов расследования случаев травматизма, происшедших в определенной ШПрС по исследуемому фактору, а также моделирование причин опасных событий позволяют установить перечень ситуаций и составить на их основе ФОС у(хi) в виде логической матрицы [3,4]. Причины, входящие в состав СТ, и связи

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве между ними образуют структуру ФОС. Структура ФОС остается неизменной, пока не будут установлены новые, ранее неизвестные СТ. Для количественной оценки влияния причины на возникновение НС принят показатель «весомость причины» [4]. В настоящей работе термин «ранг» применяется в двух разных значениях: «ранг СТ» – число причин в СТ (в соответствии с [3,4]); «ранг причины травматизма» – порядковый номер причины в ранжированном ряду причин, составленном в порядке важности их профилактики [4]. Использование одного и того же термина в разных значениях нежелательно, однако принято в данной работе вследствие нецелесообразности введения новых терминов там, где уже имеется устоявшаяся терминология. Кроме того, это не должно создать трудности, поскольку термин «ранг» в одном случае относится к ситуации, в другом – к причине НС. Ранговый коэффициент причины – это доля оцениваемой причины в ситуации, содержащей эту причину. Определяется из выражения:

kr.i[K j(xi )] 

1 , r[K j(xi )]

(1)

где kr.i[K j(xi )] – ранговый коэффициент i-ой причины в j-ой ситуации;

r[K j(xi )] – ранг ситуации Kj (число причин в ситуации Kj), содержащей причину xi. «Весомость» i-ой причины g i численно равна сумме ее ранговых коэффициентов в ФОС:

gi   kr.i[K j(xi )] .

(2)

Уравнение (2) учитывает долю оцениваемой причины в СТ и ее повторяемость в ФОС (посредством суммирования ранговых коэффициентов). Пример оценки «весомости» причин НС с использованием метода ранговых коэффициентов приведем на основе следующей ФОС:

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

x1 x2 x3

K1 y(x1 ,x2 ,...,x10 ) 

K2 K3



x1 x2 x4

(3)

x1 x5 x6 x7 x1 x5 x8 x9 x10

Причина x1 имеется во всех СТ логической матрицы (3). Из уравнения (1) вычисляем ее ранговые коэффициенты:

kr.1 (K1 ) 

1 1 1 1 ;kr.1 (K 2 )  ;kr.1 (K3 )  ;kr.1 (K4 )  . 3 3 4 5

С помощью полученных значений определяем «весомость» причины x1:

g1 

kr.1 и выражения (2)

1 1 1 1     1,117. 3 3 4 5

Результаты вычисления «весомости» всех причин методом ранговых коэффициентов сведены в таблицу 1. Таблица 1 Сравнительный анализ оценок «весомости» причин в ФОС (3) логиковероятностным [3,4] методом и методом ранговых коэффициентов

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10

Результаты оценки «весомости» причин логикометодом вероятностным ранговых методом коэффициентов 0,482421875 1,117 0,310546875 0,667 0,103515625 0,333 0,103515625 0,333 0,107421875 0,450 0,068359375 0,250 0,068359375 0,250 0,029296875 0,200 0,029296875 0,200 0,029296875 0,200 99

Ранг причины 1 2 4 4 3 5 5 6 6 6

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве В этой же таблице приведены результаты оценки тех же причин, полученные логико-вероятностным [3,4] методом. Несмотря на отличия в значениях «весомости» причин, их ранги совпадают. При необходимости может вычисляться нормированная «весомость», когда сумма значений «весомости» всех причин равна единице [4]:

g i( н ) 

g i 1

(н )

где g i

– нормированная «весомость» i-ой причины; n – общее количество причин травматизма в ФОС.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на разработку более простых методов структурной оценки «весомости» причин травматизма. Выводы: Предложен метод ранговых коэффициентов, позволяющий оценивать «весомость» причины травматизма на основе ее структурных свойств: доли оцениваемой причины в ситуациях травмирования работников (зависит от рангов ситуаций, содержащих данную причину) и повторяемости причины в функции опасности системы (учитывается за счет суммирования значений ее ранговых коэффициентов). Приведен пример ранжирования причин травматизма на угольных шахтах с использованием этого метода. Перечень ссылок 1. Ткачук С. П. Взрывопожаробезопасность горного оборудования / С. П. Ткачук, В. П. Колосюк, С. А. Ихно – Киев: Основа, 2000. – 696с. 2. Миц В. Н. К вопросу анализа аварий и определения эффективности защитных мер и средств / В. Н. Миц, Р. С. Грих // Промсанитария и борьба с травматизмом в угольных шахтах: сб. науч. тр. / МакНИИ.– Макеевка: МакНИИ, 1970. – Вып. II. – С. 143 – 154. 3. Рябинин И. А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем / И. А. Рябинин, Г. Н. Черкесов. – М.: Радио и связь, 1981. – 264 с. 4. Деревянский В. Ю. Обоснование способов и средств повышения безопасности угольных шахт: [монография] / В. Ю. Деревянский – Донецк: ЦБНТИ угольной промышленности, 2001. – 140 с.

100

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.831.322:635

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЗОНЫ РАЗГРУЗКИ НА ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ ДОНБАССА Н. Н. Киселев, Л. Н. Крижановская, А. Г. Радченко Республиканский академический научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (Министерство образования и науки ДНР, г. Донецк) А. А. Радченко Донбасская национальная академия строительства и архитектуры (Министерство образования и науки ДНР, г. Макеевка) В статье рассмотрены перспективные способы определения величины зоны разгрузки на пологих угольных пластах Донбасса The article discusses promising methods for determining the size of the discharge zone on gentle coal seams of Donbass Ключевые слова: выбросы угля и газа, начальная скорость газовыделения, температура угольного пласта, величина зоны разгрузки, удельное электросопротивление пласта Keywords: coal and gas emissions, initial gas emission rate, coal bed temperature, discharge zone size, formation specific resistivity В Донбассе наиболее широко применяемыми противовыбросными мероприятиями являются гидрорыхление угольного пласта и бурение опережающих разгрузочных скважин. Контроль эффективности противовыбросных мероприятий обычно выполняется согласно [1] двумя способами: 1) по начальной скорости газовыделения из шпуров - qнач; 2) по параметрам сейсмоакустического сигнала. Ведение горных работ на шахтах Донбасса и Российской Федерации на глубинах свыше 600 м характеризуется сложными горно-геологическими условиями: высокая тектоническая нарушенность горного массива, повышенная газоносность угольных пластов, рост горного давления и повышение потенциальной энергии горного массива. В результате воздействия этих факторов в горных выработках происходят внезапные выбросы угля и газа, которые приводят к аварийному загазированию выработок, к взрывам метана и угольной пыли, повреждению выработок,

101

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве машин, механизмов и оборудования, являются причиной смертельного травматизма. В Донбассе за период 1946 – 2006 гг. зафиксировано: а) 2520 внезапных выбросов угля и газа; б) 4932 выброса угля и газа, которые произошли при буро-взрывных работах, проводимых в режиме сотрясательного взрывания; в) 4209 внезапных выбросов песчаника и газа. На шахтах Кузбасса за период 1943 –1995 гг. произошло 228 внезапных выбросов угля и газа и 168 горных ударов. На шахтах Воркуты Печорского угольного бассейна с 1950 г. по 2000 г. произошло более 250 внезапных выбросов угля и газа, а также фиксировались горные удары. Анализ опыта ведения горных работ в Донбассе за последние 60 лет показал, что в сложных горно-геологических условиях текущий прогноз выбросоопасности угольных пластов, противовыбросные мероприятия, а также контроль их эффективности не всегда оказываются достаточно надежными и эффективными, [2]. Согласно п. 6.3.6.5 [1], величина зоны разгрузки Lразг, м является весьма важным показателем, так как по ней рассчитывается безопасная глубина выемки угольного пласта: Lбез = Lразг – Lно , где неснижаемое опережение - Lно = 1,3 м. Согласно [1], текущий прогноз выбросоопасности угольных пластов (ТП) по начальной скорости газовыделения из шпуров - qнач, выполняется, на интервалах 1,5; 2,5 и 3,5 м, а контроль эффективности противовыбросных мероприятий ( КЭ) по динамике qнач выполняют на интервалах 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 3,0 м. Таким образом, контроль состояния призабойной части пологих выбросоопасных угольных пластов в Донбассе осуществляют более 40 лет, как правило, по одному параметру – по qнач. и только по длине шпура Lшп = 3,0 – 3,5 м. При ведении ТП и КЭ в сложных горно-геологических условиях возникают ошибки 1-го рода, т.е. когда выбросоопасные участки угольных пластов относят к неопасным, эти ошибки приводят к авариям. В работе [2] указывается, что применяемый в Донбассе способ контроля призабойной части пластов с помощью аппаратуры АПСС по параметрам сейсмоакустических сигналов [1] на выбросоопасных и особо выбросоопасных угольных пластах характеризуется пониженной надежностью. Поэтому, целями настоящей работы является повышение надежности и достоверности определения величины зоны разгрузки 102

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве на пологих угольных пластах Донбасса при проведении подготовительных и очистных забоев. Анализ опыта ведения горных работ на шахтах Донбасса [2] показал, что для более успешного и надежного определения величины зоны разгрузки Lразг необходимо использовать комплексирование различных методов геофизических измерений. Нами выбран оптимальный комплекс геофизических исследований, который включает поинтервальное измерение в скважинах глубиной 5, 5 – 6, 0 м следующих параметров: а) начальной скорости газовыделения из шпуров – qнач, л /мин; б) температуры угля в скважинах – То,С ; в) кажущегося удельного электрического сопротивления – ρ, Ом. Поинтервальное измерение qнач по длине скважины и во времени может выполняться предложенным нами двухсекционным герметизатором скважин – ШГС – 2С, аналогом которого послужила конструкция герметизатора, приведенная в работе [3]. Анализ работы [4] показал, что параметр температура угольного пласта – (Тº, С) является весьма информативным показателем и рекомендуется нами для дальнейшего применения в практике ведения горных работ. Термогазодинамический метод текущего прогноза выбросоопасности угольных пластов Донбасса является весьма перспективным, но к сожалению, он не нашел широкого применения в практике ведения горных работ в странах СНГ по следующим причинам: распад СССР, разрыв экономических, научных и производственных связей. Известен способ прогноза выбросоопасности угольных пластов, включающий бурение шпуров в угольный массив, измерение в них температуры, оценку выбросоопасности yгольных пластов в процессе ведения горных работ [5]. С целью повышения надежности прогноза выбросоопасности отдельных участков угольного пласта в способе [5] находят величину градиента давления газа в пласте, для этого определяют дифференциальную теплоту сорбции метана углем данного пласта – q , а также изменение газоносности угля в пласте по глубине призабойной зоны – Хприр. Для исследуемого участка определяют теплоемкость угля – суг. По выше указанным данным рассчитывают значение безопасной величины градиента температуры на интервале шпура в зоне выемки - ∆Т, о2-1 (рассч.) и определяют аналогичный градиент температуры в процессе ведения горных работ - ∆Т, о2-1 (гор. раб.). При этом зону пласта относят к выбросоопасной, если градиент температуры, полученный в процессе ведения горных работ - ∆Т, о2-1 103

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве превышает значение безопасной величины градиента ∆Т, о2-1 (рассч.). Расчетное значение безопасной величины градиента температуры ∆Т, о2-1 (рассч.) по глубине призабойной зоны между вторым и первым метрами (2 – 1) м, отсчитываемыми от плоскости забоя определяется по следующей формуле: (гор. раб.),

где q – дифференциальная теплота сорбции метана углем, ккал/моль; ∆a – изменение газоносности угля в пласте в интервале определения ∆Трассч. суг. – теплоемкость угля, кал/г•град. Согласно [5] величина q для исследуемых пластов определяется объемным способом по известным методикам. По данным Радченко С. А. ( 2008 год) дифференциальная и интегральная теплота сорбции и десорбции метана углем для разных пластов одинаковых стадий метаморфизма изменяется в широких пределах (15-28 кДж/моль). Значение ∆a определяется по изотермам сорбции исследуемых пластов в диапазоне значений газа от Pδ до 1 ат, где Pδ – предельная величина давления метана в угольном пласте. По данным [5] в Донбассе для исследуемых выбросоопасных пластов h8 - Прасковиевский, h7 – Смоляниновский, h10 – Ливенский величина ∆Т, о (2-1) рассч. имеет значение 2,0 – 2,5 оС (по Цельсию). В процессе ведения горных работ в средней части по мощности на выбросоопасном пласте производят бурение шпуров перпендикулярно линии забоя на глубину зоны выемки суточной для очистных забоев и за цикл для подготовительных выработок. В очистных забоях бурение шпуров осуществляют через 10 м по длине лавы; в подготовительных забоях бурят 3 шпура по углю: один по центру выработки (центральный) и два бортовых на расстоянии 0,5 м соответственно от левого и правого борта [5]. В указанных шпурах измеряют температуру угольного массива на глубине 1 и 2 м от кромки забоя. Величина градиента темпера-туры – ∆Т,о2-1(гор.раб.) и является показателем степени выбросоопасности пласта в зоне выемки. Например, в Донбассе для пластов h7, h8 и h10 зона считается неопасной, если ∆Т,о2-1(гор.раб.) < 2о С; участок пласта относится к угрожаемому, если ∆Т,о2-1(гор.раб.) = 2,1– 2,5о С и зона считается выбросоопасной при ∆Т,о2-1(гор.раб.) > 2,5о С. Исследованию адсорбции и аккумулированию метана в углях были посвящены исследования А. А. Фомкина, А. Ю. Цивадзе, А. В. Школина, И. Е. Меньщикова, А. Л. Пулина и др. Следует отметить,

104

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве что в настоящее время в Российской Федерации выполняются фундаментальные работы по созданию методов, комплекса приборов и исследованию термодинамики распада углеметановых геоматериалов и изостерических теплот адсорбции газов в природных углях. По нашему мнению, объединение усилий исследователей этих весьма необходимых научных направлений позволит более эффективно решать задачи по обеспечению высокого уровня безопасного ведения горных работ в угольных шахтах. Хорошо зарекомендовали себя в практике ведения горных работ способы шахтной электроразведки. Значительный вклад в развитие геоэлектрических методов исследования внесли работы Ямщикова B. C., Хмелевского В. К., Семенова А. С., Иванова В. В., Шиканова А. И., Зюзина Е.А., Левашова С. П., Якимчука Н. А., Корчагина И. Н. и многих др. С помощью электроразведочной станции с искробезопасными выходными цепями ШЭРС – 4 возможно определение величин удельного кажущегося электрического сопротивления в скважинах, пробуренных в угольных пластах на глубину до 6, 0 –10, 0 м. Это позволит определять величину зоны разгрузки Lразг. по изменению величин удельного кажущегося электрического сопротивления – ρ, омм, измеренного в скважинах. Областью применения предлагаемого комплексного способа определения величины зоны разгрузки в призабойной части пологих угольных пластов являются шахты ДНР, ЛНР, а в перспективе шахты Российской Федерации (Восточный Донбасс, Кузбасс, Воркута), разрабатывающие выбросоопасные и особо выбросоопасные угольные пласты. Выводы: Применение комплексного способа контроля состояния призабойной части пологих выбросоопасных угольных пластов позволит более объективно и достоверно определять величину зоны разгрузки Lразг по пласту, что в свою очередь позволит повысить уровень безопасного ведения горных работ в сложных горногеологических условиях: на глубинах свыше 600м; в зонах геологических нарушений; в зонах повышенного горного давления и т. д. Перечень ссылок 1. СОУ 10.1.00174088.011 – 2005. Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям / Киев, Минуглепром Украины. 2005. – 225 с.

105

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве 2. Минеев, С. П. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах: [монография] / С. П. Минеев, А. А. Рубинский, О. В. Витушко, А. Г. Радченко // Донецк: ООО «Східний видавничий дім», 2010. 603 с. 3. Внезапные выбросы угля и газа и меры борьбы с ними на шахтах Воркутского месторождения / Ю. И. Умнов. В кн.: Борьба с внезапными выбросами в угольных шахтах // М., Госгортехиздат. 1962. – 603 с. 4. Рыженко, И. А. Текущий прогноз выбросоопасности призабойной зоны пластов по температурному режиму / И. А. Рыженко, И. Я. Еремин, В. П. Черняк // 24-я Междунар. конф. научно-исследовательских инс-тов по безопасности работ в горн. промыш-ти. — Донецк: 1991. Ч.1.– С.541-547. 5. Способ прогноза выбросоопасности угольных пластов: патент SU № 1314122 А 1: МПК E 21 F 5/00 (1987.05) / Л. В. Гурьянов, И. Я. Еремин, Г. Н. Кузетченко, И. А. Рыженко, И. Г. Узбек, Ф. Б. Фаст, В. П. Черняк, А. Н. Щербань // Патентообладатель – Институт технической теплофизики АН Украины. Заявка: 4016503, 1986.01.23; заяв. 23. 01. 1986; опубл. 30.05. 1987, бюл. № 20.

106

Проблемы и перспективыв горном деле и строительстве УДК 622

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РЕЗИНОТРОСОВЫХ КАНАТОВ В.Е. Перекутнев, В.В. Зотов (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, РФ) В данном исследовании поднимается вопрос о замене головных канатов рудничных подъемных установок на резинотросовые канаты. Выполнен анализ исследований в области ленточных тяговых органов, проведено сравнениехарактеристик существующих резинотросовых канатов и определены их возможные грузоподъемности при использовании на подъемных установках. The paper contains the study about an opportunity of replacing steel ropes on rubber and steel ropes. The existing rubber and steel ropes were analyzed and compared. Also, the load capacity of the rubber and steel ropes were determined in conditionals using the rubber and steel ropes on hoists. Ключевые слова: рудничные подъемные установки, стальные подъемные канаты, резинотросовые канаты Keywords: hoists, steel lifting ropes, rubber and steel ropes. Подъемные установки играют важную роль при подземной разработке месторождений, а также при строительстве подземных сооружений. Рудничные подъемные установки являются наиболее металлоемким и энергоемким оборудованием на предприятии, к ним предъявляются высокие требования в области надежности и безопасности эксплуатации. В последнее время, с увеличением темпов строительства и с повышением производственных мощностей возникает необходимость модернизации рудничных подъемных установок [1;2]. Анализ последних исследований в области рудничного подъема [3-7] позволил выделить следующие направления научных исследований и проектных работ: • повышение эффективности и надежности уравновешенного подъема[3]; • повышение безопасности подъема за счет уменьшения динамических нагрузок в нестационарных режимах, борьбы с напуском каната и уменьшения риска проскальзывания канатов по канатоведущему шкиву[4];

107

Проблемы и перспективыв горном деле и строительстве • разработка новых схем систем подъема, например, с целью увеличения угла обхвата шкива канатом[5]; • разработка новых средств контроля подъемной системы и основных узлов[6]; • модернизация узлов подъемных установок для повышения надежности работы[7]; • применение резинотросовых канатов или лент на рудничном подъеме для повышения его эффективности[8]. Последний тезис требует более детального разбора, так как применению резинотросовых канатов на подъемных установках в качестве тягового органа было уделено мало внимания и на данныймомент применение резинотросовых канатов обосновано и допущено только в качестве уравновешивающих. В исследовании [9] были установлены зависимости грузоподъемности от высоты подъема при применении резинотросовых лент ведущих мировых производителей лент.Определено, что резинотросовые ленты могут применяться для высот подъема до 500 м. скипами грузоподъемностью 20-25 т. Стоит отметить, что современные резинотросовые ленты производятся с максимальной длиной до 600 м. Увеличение длины лент можнопроизводить путем вулканизации, что недопустимо на подъемных установках. В связи с этим, предел использования лент на подъемных установках ограниченмаксимально возможной длиной ленты. В исследовании [10] автор в программе SolidWorks, разработал цифровую модель резинотросового каната при его взаимодействии со шкивом трения. Автором доказано, что наиболее нагруженной является часть ленты под крайними тросами, и при определенных значениях натяжения трос основы ленты продавливает материал обкладок. Авторы работ [5;10] в области внедрения резинотросовых тяговых органов на рудничном подъеме обосновали ряд новых схем для подъемных систем. Однако ими не рассмотрены возможности эксплуатации резинотросовых канатов на рудничных подъемных установках. Основным преимуществом резинотросовых канатов по сравнению с лентами является возможность производства их большой длиной в бесстыковом исполнении. Для определения рабочей области применения резинотросовых канатов, в качестве головных, проведено сравнение уравновешивающих канатов: канаты SAG и канаты РТК Промканат. На рис. 1 показаны зависимости грузоподъемностирезинотросовых канатов от высоты подъема груза. На графиках отмечены возможные области эксплуатации скипов различной грузоподъемности,

108

Проблемы и перспективыв горном деле и строительстве что позволяет оценить возможности резинотросовых канатов. Анализ графиков показывает, что использование резинотросовых канатов возможно до 20-25 т., при высоте подъема 400-500м. Но в отдельных случаях, возможен подъем скипов, грузоподъемностью 10 т. на высоты до 1000 м и более. а)

б)

Рис.1. Зависимости высоты подъема от грузоподъемности для а)канатов РТК; б) канатов SAG На рис. 2 приведены зависимости высоты подъема груза от разрывного усилия груза для отдельных скипов при использовании РТК Промканат (рис. 2а) и SAG (рис.2б). Видно, что канаты SAG имеют более высокие грузоподъемности. Из графика можно определить рабочие грузоподъёмности и высоты подъема для всех типов канатов. а)

109

Проблемы и перспективыв горном деле и строительстве

б)

Рис. 2. Зависимости высот подъема от разрывного усилия груза для отдельных скипов Выводы: Выполненный анализ показал, что резинотросовые канаты могут быть применены в качестве головных канатов подъемных установок. Они обладают подходящими характеристиками и могут реализовывать значительные грузоподъемности при высотах подъема до 1000 м и выше. Дальнейшее обоснование применения резинотросовых канатов в качестве головных канатов требует решения вопросов устойчивости движения тягового органа на приводном шкиве, распределения нагрузок между тросиками основы резинотросовых канатов, обеспечения регулирования длины резинотросовых канатов при эксплуатации и др.

110

Проблемы и перспективыв горном деле и строительстве Перечень ссылок 1. Картавый Н.Г., Зотов В.В.Повышение технического уровня подъемных установок при замене канатов резинотросовыми лентами //Горное оборудование и электромеханика, 2008.- Вып. 11.- 6-10 с. 2. Садыков Е.Л., Попов Ю.В. – исследование и разработка канатоподдерживающих роликов повышенной надежности для наклонных подъемных установок // Научные исследования и инновации, 2011.- Вып. 1, том 5.- с. 169-72. 3. Трифанов Г.Д. Повышение эффективности эксплуатации стальных канатов в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006. –Вып. 2, с. 269-271. 4. Зверев В.Ю., Трифанов Г.Д., СтрелковМ.А. Анализ динамических нагрузок, действующих на канаты шахтных подъемных установок // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования, 2015.- том 1, с. 26-32. 5. ЗотовВ.В.Сравнительная оценка канатного и резинотросового тяговых органов подъемных установок // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006.-Вып. 10, с. 289-293. 6. Трифанов Г.Д. Повышение эффективности шахтных подъемных установок, оборудованных системами непрерывного контроля их параметров // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромышленного оборудования, 2014.- Вып. 1, том 1, с. 15-18. 7. КузнецовН.К. Вопросы совершенствования устройств защиты подъемных установок от аварийных ситуаций // Вестник Иркутского государственного технического университета, 2015.- Вып. 10, с. 62-67. 8. ЗотовВ.В. Обоснование основных параметров вертикальных подъемных установок с резинотросовыми тяговыми органами // автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.05.06 // Зотов Василий Владимирович. Москва, 2007. 9. Зотов В.В.Определение области использования подъемных установок с ленточным тяговым органом // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2005. –Вып. 8, с.276-280.

111

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 662.242

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ МЕТОДОМ СОСРЕДОТОЧЕННОГО ВЗРЫВА А.Р. Сабиров, Т.Н. Праздникова ФГБОУ ВО «КНИТУ», Россия В данной работе было проведено разрушение стальных труб методом сосредоточенного взрыва. Целью исследований была имитация условий развития дефектов магистральных газопроводов в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. Доказана возможность использования кумулятивных зарядов для проверки трещиностойкости стальных труб. In this work, the destruction of steel pipes by the method of concentrated explosion was carried out. The purpose of the research was to imitate the conditions for the development of defects in gas pipelines under conditions as close as possible to actual operating conditions. The possibility of using shaped charges to test the crack resistance of steel pipes has been proven. Ключевые слова: магистральный газопровод, трещиностойкость, сосредоточенный взрыв, кумулятивный заряд Keywords: main gas pipeline, crack resistance, concentrated explosion, shaped charge Магистральным газопроводом называется трубопровод, предназначенный для транспортировки газа из района добычи или производства в район его потребления, или трубопровод, соединяющий отдельные газовые месторождения. Ответвлением от магистрального газопровода называется трубопровод, присоединенный непосредственно к магистральному и предназначенный для отвода части транспортируемого газа к отдельным населенным пунктам и промышленным предприятия. В некоторых случаях в состав магистрального трубопровода входят и подводящие трубопроводы, по которым конденсат или газ от промыслов подается к головным сооружениям. Основные элементы магистрального трубопровода – сваренные в непрерывную нитку трубы, представляющие собой собственно трубопровод. Как правило, их заглубляют в грунт обычно на глубину 0,8 м до верхней образующей трубы, если большая или меньшая глубина заложения не диктуются особыми геологическими условиями

112

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве или необходимостью поддержанию температуры перекачиваемого продукта на определенном уровне. Для магистральных трубопроводов применяют цельнотянутые или сварные трубы диаметром 3001420 мм. Толщина стенок труб определяется проектным давлением, которое достигает 10 МПа. Трубопровод, прокладываемый по районам с вечномерзлыми грунтами или через болота, можно укладывать на опоры или в искусственные насыпи. Для удовлетворения потребностей в нефтепродуктах и газе населенных пунктов, находящихся вблизи трасс нефтепродуктопроводов и газопроводов, от них прокладывают отводы или ответвления из труб сравнительно малого диаметра, по которым газ непрерывно отводится в эти населенные пункты. С интервалом 1030 км в зависимости от рельефа трассы на трубопроводе устанавливают линейные краны или задвижки для перекрытия участков в случае аварии или ремонта. С обеих сторон линейного крана на газопроводе имеются свечи для выпуска газа в атмосферу при авариях. Компрессорные станции (КС) газопроводов оборудуют поршневыми или центробежными компрессорами с приводом от поршневых двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и электродвигателей. Мощность одного агрегата в настоящее время достигает 25 МВт. Обычно центробежные нагнетатели работают группами по два или по три последовательно, и несколько групп могут быть включены на параллельную работу. Подача одного агрегата может достигать 50 млн. м 3/сутки, а давление на выходе станции – 10 МПа. При высоком пластовом давлении газа в первый период эксплуатации месторождения газопровод может работать без головной КС[1]. Инициирование разрушения опытных труб методом сосредоточенного взрыва выполнялось для имитации условий развития дефектов магистральных трубопроводов в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. Зарождение разрушения осуществлялось на центральной трубеинициаторе, посредством взрыва кумулятивного заряда ВВ, располагающегося над продольным надрезом, нанесенным механическим способом по верхней образующей трубе. Натурные испытания плети проводились при рабочем внутреннем давлении 11,8 МПа. Испытательной средой являлся воздух. Полная механическая энергия сжатого воздуха при разрыве трубы определялась, как работа адиабатного расширения с рабочего

113

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве давления 11,8 МПа до атмосферного. И она равнялась разнице энтальпий начала и конца процесса. Основная площадка для испытания труб на устойчивость к образованию трещин под действием внутреннего давления, инициированной кумулятивным зарядом, представляла собой одну железобетонную призму, изолированную от грунта естественного залегания несколькими слоями: песчаной подушкой, сейсмоизолирующей прокладкой и дренирующим слоем (рисунок 1).

Рис. 1. Схема установки трубы в испытательном стенде От воздействия ударной волны близлежащие объекты были защищены благодаря расположению призмы с испытуемой трубной плетью в траншее с обваловкой [2]. Сварная плеть, состояла из центральной трубы-инициатора, двух испытуемых участков, справа и слева от инициатора, после которых шли участки-буферы (общий геометрический объем одной плети составил 262 м3). Плеть укладывалась на дно призмы на защитнораспределительную подушку. Концы испытуемой плети закреплялись в призмах на опорах. Горизонтальное перемещение ограничивалось упругостью опор. Усилие в опорах измерялось посредством тензометрических датчиков смещения. Температура стенки трубы контролировалась датчиками температуры. Скорость развития трещин контролировалась поверхностными датчиками.

114

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

К 65

640

не менее 555

115

Отношение предела текучести к временному сопротивлению т/в Твердость HV 10

Относительное удлинение 5, %

Предел текучести т, МПа

Временное сопротивление в, МПа

Класс прочности

Сигналы от датчиков поступали в пункт регистрации по кабелям связи и регистрировались цифровым микропроцессорным регистратором. Давление в плетях создавалось с помощью унифицированных компрессорных станций. Унифицированная компрессорная станция УКС-400В-П4М, позволяющая получать конечное давление в диапазоне от 150 до 400 кгс/см2, является мобильной и автономной. Источники давления соединялись с испытательным коллектором технологическим трубопроводом. Воздух поступал в испытуемые плети через коллектор. Плети с коллектором соединялись с помощью рукавов высокого давления. Характеристики участка трубопровода с опытными трубами:  общая длина участка до 200 м  диаметр труб 1420 мм  толщина стенки 27,7 мм Данные по трубе-инициатору, на которой взрывается кумулятивный заряд:  длина трубы 5м  диаметр трубы 1420 мм  толщина стенки 27,7 мм  длина надреза на всю трубу с выходом на 0,1 – 0,15 м на соседние трубы  ширина надреза до 4 мм  глубина надреза 25% толщины стенки  расположение надреза верхняя образующая, вдоль оси трубы. Механические свойства стали труб приведены в таблице 1. Таблица 1. Механические свойства стали трубы

не более 0,92 280

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Для выполнения работ по инициированию разрушения использовались удлиненные кумулятивные заряды с кумулятивной выемкой из металла. При глубине надреза 25% толщина стенки =27,7*0,75=20,7 мм. Использовались два вида зарядов: шнуровой кумулятивный заряд (ШКЗ) и удлиненный кумулятивный прокатный заряд (УКЗ-П). Шнуровой кумулятивный заряд (ШКЗ) для резки металла толщиной 20,7 мм можно использовать ШКЗ-6, массой заряда из состава ЭГ-85 – 700±75 г/м; Шнуровой кумулятивный заряд (ШКЗ-6) (рисунок - 2). Шнуровой кумулятивный заряд представляет собой заряд из эластичного ВВ ЭГ-85 в виде шнура с продольной кумулятивной выемкой, облицованной гибкой металлизированной лентой [3].

Рис. 2. Общий вид ШКЗ-6 Основные характеристики и габаритные размеры приведены в таблице 2.

30,0±1,5

0,8÷1,0

18,0±1,5

116

700±75

Температурный интервал эксплуатации,0 С

Масса с облицовкой, г/м

Масса без облицовки, г/м

Глубина выемки (h), мм

Длина (L),м

Высота (Н),мм

Диаметр (Д),мм

Таблица 2. Основные характеристики и габаритные размеры ШКЗ-6

От минус 1100±100 40 до плюс 70

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Удлиненный кумулятивный прокатный заряд (УКЗ-П) для резки металла толщиной 20,7 мм, можно использовать УКЗ-П-30М, массой заряда из продукта А – 450±100 г/м(рисунок -3). Заряд удлиненный кумулятивный прокатный представляет собой металлическую трубчатую заготовку из меди по, заполненную ВВ и имеющую продольную кумулятивную выемку[4].

Рис. 3. Общий вид УКЗ-П-30М

Диаметр (Д),мм

Высота (Н),мм

Длина (L),м

Масса без облицовки, г/м

Масса с облицовкой, кг/м

Максимальная толщина разрезаемой преграды, мм

Основные характеристики и габаритные размеры приведены в таблице 3. Таблица 3. Основные характеристики и габаритные размеры УКЗ-П-30

30,0±1,5

22,5±1,2

0,8÷1,0

450±100

2,00±0,50

Проводилось три параллельных испытания

117

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Кумулятивный заряд располагался на трубе-инициаторе. Крепление кумулятивного заряда к трубе осуществлялось с помощью скотча. Кумулятивный заряд ВВ инициировали капсюлем-детонатором с применением неэлектрической системы взрывания «Эдилин». Система «Эдилин» состоит из ударно-волновой трубки (УВТ) и капсюля детонатора. Детонационный процесс в УВТ представляет собой инициируемое ударной волной, распространяющееся по внутреннему каналу трубки, «взрывное горение» сорванных с поверхности частиц ВВ. Важнейшим качеством УВТ является безопасность обращения с ними, высокая точность срабатывания и безотказность в работе [5]. При подрыве контролировали длину надреза на трубе и глубину надреза на трубе. Все параметры соответствовали требованиям предъявляемым заказчиком. Все трубы выдержали испытания. Полученные трещины не приводили к разрушению труб. Выводы 1. Опытная партия труб показала трещиностойкость в пределах нормы (регламентированной заказчиком) и может эксплуатироваться в газопроводах при рабочем внутреннем давлении 11,8 МПа. 2. Доказано, что кумулятивные заряды типа ШКЗ-6 и УКЗ-П-30М возможно использовать для оценки трещиностойкости стальных труб (как новых, так и бывших в эксплуатации) методом сосредоточенного взрыва. Перечень ссылок 1. Тетельмин, В. В. Геоэкология углеводородов. Учебное пособие/ В.В. Тетельмин. - Долгопрудный : Издательский дом "Интеллект", 2009 . — 304 с 2. Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ13-407-01). Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.01.01 №3 Москва 2001г. 3. Заряд кумулятивный шнуровой ТУ 84-988-84. 4. Заряды удлиненные кумулятивные прокатные УКЗ-П ТУ 3-2650-92. 5. Цейтлин Я.И., Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. / Я.И. Цейтлин., Н.И. Смолин. - М:Недра, 1981г.

118

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.281.74

УСТОЙЧИВОСТЬ АНКЕРА ПРИ УСТАНОВКЕ В ПОРОДНЫЙ МАССИВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ П.С. Дрипан, И.Ф. Марийчук ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г.Донецк, ДНР Приведены математическая и физическая модели установки в породный массив горной выработки анкера большего диаметра, чем шпура при динамическом на него воздействии. Получены зависимости для определения параметров анкера: длины, диаметра, механических характеристик, нагрузки, времени установки, обеспечивающих его устойчивость. Это позволит выбрать параметры устройства для создания необходимой нагрузки. Ключевые слова: породный массив, шпур, анкер, динамическая нагрузка, устойчивость, модель. The mathematical and physical models of installation in the rock mass of the mine workings of the anchor of a larger diameter than the hole with a dynamic impact on it are given. Dependences are obtained to determine the parameters of the anchor: length, diameter, mechanical characteristics, load, installation time, ensuring its stability. This will allow you to select device parameters to create the necessary load. Key words: rock mass, hole, anchor, dynamic load, stability, model. В настоящее время в угольной отрасли до 30% несчастных случаев происходят в забойной части выработок при ведении подготовительных работ из-за несвоевременной установки или отсутствия временного анкерного крепления. Технологичность и высокий уровень механизации при его применения позволяют повысить темпы работ и обеспечить высокий уровень безопасности ведения горных работ. Наибольшее распространение в условиях шахт Донецкого бассейна получили сталеполимерные анкеры, с заполнителями из быстротвердеющими смесями на основа цемента или синтетичесих смол, технология установки которых и параметры крепи определяются в соответствии с действующими нормативными документами [1-3]. Однако, до 50% стоимости установки таких анкеров составляют затраты на ампулы с полимерными смолами, с помощью которых они закрепляются в шпурах. В этой связи, исследования, направленные на разработку нового способа анкерного крепления породного массива выработок угольных шахт, являются перспективными и актуальными.

119

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве В мировой практике применяются многочисленные безраспорные конструкции анкеров, такие как винтовые, анкера "Сплит–Сет" и "Свеллекс", трубчатые взрывораспорные анкеры и т.д. [4]. Однако они не получили широкого применения в практике из-за необходимости изготовления анкеров из высокопрочных упругих сталей и дорогого оборудования для их установки. Предложенный в США способ установки анкеров с помощью вдавливания гидравлической установкой в породный массив [5] не нашел промышленного использования по тем же причинам и не возможности обеспечить необходимое пространственное расположение устанавливаемого анкера. В «ДонНТУ» предложен и запатентован способ установки стального анкера в направляющий шпур меньшего диаметра с помощью динамической нагрузки [6]. В работе [7] приведена математическая модель напряженнодеформированного состояния анкера большего диаметра, чем его направляющий шпур при установке в породный массив с учетом волновых процессов. Для проверки адекватности результатов теоретических исследований необходимо получить данные экспериментальных исследований. Цель работы – разработка математической и физической моделей установки в породный массив горной выработки угольной шахты анкера большего диаметра, чем проходного шпура при динамическом на него воздействии для обоснования его устойчивости, прочности и параметров ударного устройства. При начальной нагрузке анкера ударным устройством и соединении его менее с более прочными породами возникает вопрос об определении его таких параметрах, как длина, диаметр, модуль упругости материала, предел прочности при сжатии, которые обеспечивают его устойчивость. Критическую силу по форме потере устойчивости Эйлера определяют из дифференциального уравнения изогнутой оси анкера с постоянной жесткостью [8] 2 d 4U 2 d U (1)   0, dx 4 dx 2 где 12

 P   ,  EI  U – прогиб сечения с абсциссой х, м; Е – модуль упругости материала анкера, Н/м2 ;

120

(2)

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве I –момент инерции сечения анкера, м4; Р – продольная сила, Н; x – координата, м. Согласно формуле (2) критическая сила равна Pкр 

42 EI

l 2

(3)

где  – коэффициент длины, зависящий от способа крепления концов анкера, примем его равным единице для расчетной схемы с граничными условиями: жесткое крепление в ударном устройстве и опора при входе анкера в массив горных пород; l – длина анкера, м. Формулой (3) можно пользоваться при условии, что гибкость анкера  , определяемая выражением



(4)

I F 1 2

удовлетворяет неравенству 12

 E   . (5)       пц  2 где F =  D /4 – площадь сечения анкера, м2; пц – предел пропорциональности (прочности на сжатие) материала анкера, МПа; D –диаметр анкера, м. Приведенные выше соотношения относятся к случаям потери устойчивости в упругой области, то есть справедливы при условии, что вплоть до достижения критического состояния максимальные напряжения не превышают предела пропорциональности материала. Если условие (5) не выполняется, то потеря устойчивости анкера наступит при напряжениях, превосходящих его значение. В этом случае расчет на устойчивость анкера с первоначальной прямолинейной осью, критическое напряжение определяют по формуле Эйлера

э 

2 E

, 2 где гибкость анкера определяется из выражения

121

(6)

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве



rmin

(7) , rmin – наименьший радиус инерции поперечного сечения, м; 12

I  (8) rmin   min  ,  F  I min – наименьший момент инерции поперечного сечения 4 анкера, м . Если (9)  э >  пц ,

то потеря устойчивости происходит за пределами пропорциональности. Для исследований потери устойчивости анкера рассмотрим вариант исходных его данных, при которых она возможна, то есть максимальная длина  =1,6м, минимальный диаметр D=22,5мм, E =2∙105 МПа (для стали). Используя вышеприведенные зависимости, получим: Pкр = 4кН, 12

 E   = 68,5, то есть условие (5) выполняется.  =22,6,     пц  В данном случае, используя зависимость (6), получим значение напряжения  э = 390 МПа, которое незначительно отличается от напряжения пропорциональности пц = 420 МПа. Это говорит о том, что при вышеприведенных исходных данных геометрических параметров и меньших значениях модуля упругости ( пц ) материала анкера может произойти его потеря устойчивости за пределами пропорциональности. Приведем критерии подобия физического моделирования устойчивости анкера при установке в породный массив. В данном случае необходимо выполнить геометрическое и механическое подобие при установке анкера в шпур с учетом действия динамической нагрузки. Обозначим индексом (1) параметры модели, индексом (2) – натуры. Геометрическое подобие имеет вид

 1 d1   Се ,  2 d2

122

(10)

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

где Се – множитель подобия. Приведем уравнение (1) к безразмерному виду, введя масштабные преобразования

U  lU , x = l x .

(11)

Подставив зависимость (11) в ( 1), получим d 4U 3

l dx



 2 d 2U ld x

 0.

(12)

Умножим левую и правую части уравнения (12) на  3. Тогда d 4U dx

 l

2 2

d 2U dx

 0.

(13)

Используя зависимость (2), получим

Pl 2 l  . EI Условие механического подобия примет вид 2 2

P1l12 P2l22  . E1 I1 E2 I 2

(14)

(15)

Отсюда определим силу, которую необходимо приложить к модельному образцу l22 I1 (16) P1  P2 2 . l1 I 2 При масштабе 1:10, Се = 0,1,  1 = 0,1  2. Моменты инерции для круглого сечения модели и натуры определяют по зависимостям I1  d 14 / 64 ;

123

I 2  d 42 / 64

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве С учетом масштаба получим, что I 1 = 10-4 I 2 . Тогда выражение (16) примет вид P1 = 10-2 P2

(17)

В нашем случае на анкер действует динамическая нагрузка. Определим время и скорость установки анкера в породный массив. Из второго закона механики Ньютона для двух механических систем (модели и натуры) имеет место [9,10] P1 = m1a1; где

P2 = m2a2,

(18)

m – масса анкера, кг; a1, a2 – ускорения движения анкера, м/с.

Приведем эти уравнения с помощью масштабных преобразований к безразмерному виду. р1 = р1,0Р1; р2 = р2,0Р2; m1 = m1.0M1; m2 = m2.0M2; a1 = a1.0A1; a2 = a2.0A2. Подставляя выражения (19) в (18) , получим

(19)

 p1,0    P  M 1 A1 ; m a  1  1,0 1,0  (20)

 p 2, 0    P  M 2 A2 . m a  2  2, 0 2, 0  Уравнения (20) будут тождественно одинаковыми в том случае, если коэффициенты в скобках будут равны между собой. Тогда

 p2,0   p1,0  p1,0 т1,0 а1,0   ;  m a  m a  p т2,0 а2,0 2 , 0 2 , 0 1 , 0 1 , 0 2 , 0    

(21)

Ср = Ст Са .

(22)

или

124

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Выражая массу анкера через объем и плотность, а ускорение – линейные размеры и время из (21), получим

р1,0 12,0 1,0  14,0



р2,0  22,0  2,0  42,0

C p C2



р 2  4

 idem(идентично )

 1,

(23)

 1. (24) CCl4 CCl2Cv2 Следовательно, для обеспечения условий динамического подобия должно соблюдаться условия (24) между множителями подобия. Учитывая, что плотность модели и натуры одинаковая, для времени установки анкера получим (25) 1,0 = 0,1  2,0 . или

При проведении физического моделирования будут использованы данные, приведенные в таблице. Таблица 1 Диапазон изменения исходных данных экспериментальных исследований на устойчивость модели Анкер Шпур Дли- Диаметр Модуль Предел Длина  , Диаметр на  , D, мм упругости пропормм d,мм мм Е, МПа циональности (сталь5)  пц , МПа 130… 2,25… 2∙105 420 150…180 2,2…3,0 160 3,10 Выводы: Таким образом, полученные результаты теоретических исследований, а также в дальнейшем – данные физического моделирования установки анкера большего диаметра, чем диаметр шпура в породный массив, позволят обосновать их параметры, обеспечивающие безопасность горнорабочих, снижение затрат при ведении горных работ и повышение устойчивости выработок.

Перечень ссылок 1. Булат, А.Ф. Опорно-анкерное крепление горных выработок угольных

125

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве шахт / А.Ф. Булат, В.В. Виноградов – Днепропетровск. : Вильпо, 2010. – 372 с. 2. СОУ 10.1.05411357.010:2014. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования. – 84 с. 3. СТП (02070826) (26319481). Методика определения параметров анкерных породо-армирующих систем для обеспечения устойчивости горных выработок: / Н.Н. Касьян [и др.] // Донецк–Доброполье, 2010. – 27 с. 4. Широков, А.П. Теория и практика применения анкерной крепи / А.П. Широков – М.: Недра, 2012. – 381 с. 5. Ремезов, А. В. Анкерное крепление на шахтах Кузбасса и дальнейшее его развитие : учебное пособие / А. В. Ремезов [и др.] – Кемерово : Кузбассвузиздат, 2006. – 471 с. 6. Пат. 55763 Україна, МПК Е 21 D 20/00. Способ установки анкера / Касьян Н. Н., Новиков А. О., Петренко Ю. А., Дрипан П. С., Шестопалов И. Н., Гладкий С. Ю., Выговский Д. Д. / заявитель и патентообладатель Донецкий Национальный Технический Университет. – № u200901503; заявл. 23.02.2009; опубл. 25.06.2009; бюл. № 12. – 6 с. 7. Новиков А.О. Математическая модель установки анкера в породный массив под нагрузкой / А.О. Новиков, П.С. Дрипан // Научный вестник НИИГД «Респиратор».– Донецк, 2018.– № 3 (56). – С.91–101. 8. Прочность. Устойчивость. Колебания.Т.1. Под общ. ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. – М.: машиностроение, 1968 – 831с. 9. Основы моделирования геомеханических процессов / Под общей ред. Ефремова И.А. и Марийчука И.Ф. – Донецк: НОУЛИДЖ, 2012 - 263с.

126

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 621.1:622.033:553.52 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЭК ДОНБАССА С.Ю. ПРИХОДЬКО ГОУ ВПО «Донбасская юридическая академия», г. Донецк, ДНР Для обеспечения устойчивого функционирования природнопромышленных систем необходимы оптимальные управленческие решения, особенно в регионах подверженных техногенным катастрофам. For providing of the steady functioning of the naturally-industrial systems optimal administrative decisions are needed, especially in regions subject to the technogenic catastrophes. Ключевые слова: управленческие решения, амплитуда инверсионного подъема, градиент вертикального смещения, математическая модель. Keywords: management decisions, the amplitude inversion recovery, gradient vertical displacement, mathematical model. Современный период развития общества характеризуется все более нарастающими противоречиями между человеком и окружающей его природной средой. Созданная им техносфера и способ хозяйствования стали мощными факторами воздействия на природу. Демографический взрыв, промышленное производство, которое устаревает с каждым годом, сельское хозяйство, находящееся в глубоком кризисе, урбанизация территорий1 - это своего рода вызовы, брошенные человеком природе и послужившие причиной высокой степени обострения противоречий между обществом и природной средой. Они обостряются стихийными бедствиями и катастрофами. Резкий рост населения усиливает антропогенные нагрузки и представляют серьезную угрозу для экологической безопасности. Долгое время причинно-следственная связь между катастрофами и социально-экономическим развитием игнорировалась. Во многих странах планирующие органы практически не занимались проблемами катастроф. В лучшем случае плановики надеялись, что катастроф не будет, а если и будут, то с ними наиболее эффективно можно будет справиться благодаря помощи, предоставляемой извне. Программы развития не оценивались в контексте катастроф, ни с точки зрения воздействия катастрофы на программу развития, ни с точки зрения того, повышает ли намеченное развитие вероятность

127

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве катастроф и не может ли оно усилить разрушающее действие катастрофы. Катастрофы рассматривались в контексте реагирования на чрезвычайную ситуацию, но не как часть долгосрочной программы развития. Если катастрофа происходила, то реагирование было направлено на удовлетворение элементарных потребностей и на ликвидацию последствий катастрофы. Весьма важным аспектом управления в чрезвычайных ситуаций (ЧС) является прогнозирование последствий ЧС для отдельных экономических объектов или целых территорий. Наличие подобных прогнозов в значительной мере позволяет определить наиболее важные аспекты деятельности по противодействию ЧС и подготовиться к ним. Вместе с тем следует указать, что в целом на Донбассе в настоящее время работы по прогнозированию последствий ЧС проводятся лишь в незначительных объемах. Важной проблемой при этом является отсутствие общепризнанной методики и единых концептуальных подходов. Примечательно, что данные характеристики существуют на фоне достаточно богатого опыта проведения прогнозных работ в прошлом, а также больших возможностей, предлагаемых современной наукой для проведения подобных работ в настоящее время. Важной особенностью проведения подобных прогнозов является целесообразность осуществления многовариантных расчетов одного и того же экстремального явления и просмотр различных сценариев физических и экономических последствий, в зависимости от различной силы и интенсивности факторов поражающего воздействия. С методической точки зрения подобный подход не представляет большой сложности, так как для этого достаточно определить переменные и постоянные параметры условий возникновения экстремальных явлений, что позволяет при одном и том же алгоритме расчета получать практически все возможные варианты физической обстановки возможной ЧС, а на ее основе рассматривать изменение показателей последующих разделов. Определение физической характеристики последствий экстремальных явлений создает возможность для расчета экономических последствий ЧС. Основными входными параметрами при этом являются данные о наличии и составе основных производственных и непроизводственных фондов в населенных пунктах, которые попадают в зону влияния поражающих факторов. Важной особенностью проведения подобных прогнозов является целесообразность осуществления многовариантных расчетов одного и того же экстремального явления и просмотр различных

128

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве сценариев физических и экономических последствий, в зависимости от различной силы и интенсивности факторов поражающего воздействия. С методической точки зрения подобный подход не представляет большой сложности, так как для этого достаточно определить переменные и постоянные параметры условий возникновения экстремальных явлений, что позволяет при одном и том же алгоритме расчета получать практически все возможные варианты физической обстановки возможной ЧС, а на ее основе рассматривать изменение показателей последующих разделов. Определение физической характеристики последствий экстремальных явлений создает возможность для расчета экономических последствий ЧС. Основными входными параметрами при этом являются данные о наличии и составе основных производственных и непроизводственных фондов в населенных пунктах, которые попадают в зону влияния поражающих факторов, а также данные о численности населения, поголовье скота, объемах запасов материальных средств, объемах производства предприятий и размерах сельскохозяйственных угодий, подвергающихся возможному воздействию. Подобная разработка прогнозов экстремальных явлений способствует значительному повышению эффективности работы органов управления в ЧС, так как дает возможность резко сократить время на оценку последствий уже возникшего экстремального явления и содержит основные возможные значения необходимых показателей. При этом пользователю достаточно задать только основные входные параметры. Кроме того, данные прогнозы позволяют получить комплексную картину и дают возможность на общегосударственном уровне рассмотреть вопросы устойчивости экономики региона, выявить имеющиеся узкие места и уточнить стратегию защиты от экстремальных явлений. Донбасс представляет собой крупный топливно-энергетический комплекс, устойчивое функционирование которого в основном зависит от поведения горного массива, целостность которого нарушена выработанными пространствами. Физико-химические процессы протекающие в горном массиве определяются как его уже ранее нарушенной структурой, так и текущим техногенным воздействием на него. Катастрофы происходящие в регионе можно выделить в следующие группы: 1.Внезапные выбросы угля и газа.в угольных шахтах.

129

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве 2. Провалы земной поверхности, в результате шахтных подработок, и нарушение поверхностной инфраструктуры. 3. Нарушение подземного водного баланса и, как результат, подтопление подземных и наземных коммуникаций. Важным аспектом управления в чрезвычайных ситуаций на Донбассе является прогнозирование опасных процессов в горном массиве и на основе данных прогнозирования принятие оптимальных управленческих решений. Поведение горного массива зависит от многофакторного на него воздействия и поэтому прогноз его устойчивого состояния требует системного подхода. Необходима реализация региональной физико-математической модели горного массива в 4-Д формате, включающей в себя 3-Д модель и базу физикохимических данных в реальном масштабе времени. Региональная модель дает возможность выделения локальных математических моделей как на уровне отдельных районов и городов, так и на уровне отдельных предприятий. На Рис.1.показана модельная реконструкция амплитуд инверсионного подъема (hмод на территории Донецкого бассейна, которая является основой 4-Д модели региона. В качестве основы для математического моделирования использовалась схема глубинных тектонических разломов фундамента Донбасса. В момент времени, выбранный за начальный, мы предполагаем, что массив находится в состоянии покоя. Западная и восточная и границы бассейна, соответственно в зонах Мариупольско-Курского и ЛипецкоКонстантиновского линеаментов, зажаты ( h  0 ), а северная (СевероДонбасский краевой разлом) и южная (Южно-Донбасский краевой разлом) - свободны ( h  0 ). Внутри массива, в зависимости от типов разрывных нарушений, задаются три вида разрывов:  (h 1  h 2 )  n  0 - для слабых разрывов,  (h 1  h 2 )  n  h  0 - для упругих разрывов,  (h 1  h 2 )  n  h  1 - для упругих разрывов со смещением, где n - вектор нормали к линии разрыва. Получающаяся при этом начально-краевая задача решается методом численного моделирования в наиболее простой ситуации, когда в уравнении

 2h   h  c1h  1  c2h  , 2 t 

0  ci  , 0   

130

 ,0    1. 1

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве младшие слагаемые ведут себя линейным образом. Данное модельное уравнение учитывает зависимость вертикального смещения, а, следовательно напряжений на земной поверхности, от взаимодействия внешнего и внутреннего суммарных потенциалов. Основной вклад в формирование и развитие земной поверхности привносит именно “конкуренция” между этими потенциалами. Соответствующий численный результат, представляющий собой картограмму изолиний амплитуд инверсионного подъема на территории Донецкого бассейна в условных единицах (у. е.) показан на рис. 1. При построении математической модели горного массива был получен степенной коэффициент, определяющий энергетическое состояние открытой системы, включающей в себя горный массив, внешний и внутренний потенциалы. Были определены значениях этого коэффициента, при которых в системе возможно нарушение энергетического баланса. Из теории бинарных систем, хорошо известно, что знак начальной энергии системы существенно влияет на ее поведение, например, если начальная энергия отрицательна, то это приводит к фазовому переходу. Применительно к нашей ситуации, это означает следующее: если E(h(0))  0 , то в системе, при определенных значениях параметров, возможен быстрый рост градиента амплитуды инверсионного подъема. Анализ математической модели показал, что случаи 0    1 и   1 существенно отличаются. В таблице1 2 приведены результаты анализа поведения градиента  h dx : Таким образом, определяя поведение градиента вертикального смещения (который связан с тензором деформаций H ) мы тем самым определяем поведение соответствующих напряжений в горном массиве. Найденная зависимость между значением начальной энергии системы и поведением градиента вертикального смещения а как следствие и самого вертикального смещения, позволяет получать информацию о поведении напряжений внутри горного массива. Практическое использование моделирования ЧС предусматривает значительный организационный аспект, связанный, как с разработками подобных моделей, так и с их применением. Применительно к разработке моделей в составе организационного аспекта стоят следующие задачи: - обеспечение организации поступления информации из различных источников; - придание разработчикам моделей достаточно высокого официального статуса, в целях решения организационных вопросов;

131

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве - своевременное и достаточное финансирование работ по прогнозированию и математическому моделированию; - создание передовой технической базы, подключение к всемирной информационной сети; - создание условий для работы специалистов. Как показывает практика, без эффективного решения данных организационных задач создание действенных информационных систем невозможно. Следует подчеркнуть, что количественное определение степени риска в современной экономике носит необходимый характер. Задача состоит в том, чтобы дать некую систему сравнения для практической и законодательной деятельности. Ранжирование рисков при этом позволяет на основе сравнения выбирать проекты, имеющие наибольшую экономическую устойчивость и эффективность. Исходя из этого, можно отметить, что современная наука предоставляет значительные методические возможности для проведения работ по прогнозированию последствий ЧС в экономике регионов или страны в целом. Проблема заключается лишь в осознании преимуществ наличия подобных прогнозов и обеспечении их разработок применительно ко всем потенциально объектам и зонам. Перечень ссылок 1. Р. М. Таранец, Новый подход к оценке влияния внешних и внутренних сил на поведение горного массив [Текст]: / Р. М. Таранец, В.А.Привалов, С.Ю.Приходько.// Проблеми екології.-Донецьк : ДонНТУ, 2007, №1-2, с.46-50.. 2. Р.М.Таранец, Об одном из аспектов нелинейной геодинамики: влияние массовых сил на тектоническое поведение земной поверхности на примере Донецкого бассейна [Текст]: / Р.М.Таранец, В.А.Привалов, С.Ю.Приходько.//Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Гірничо-геологічна”. Випуск №6(125).-Донецьк, ДВНЗ” ДонНТУ”, 2007.-с.205-210. 3.С. Ю .Приходько Исследование влияния внешних и внутренних сил на поведение горного массива [Текст]: / С. Ю .Приходько, Р. М. Таранец //Материалы 11-й международной конференции “Геоинформационные технологии в управлении территориальным развитием”, Ялта.- 2008.

132

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве . УДК 622.411.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ «ТЕРМОДИНАМИКА УГЛЕНОСНОГО МАССИВА (ТУМ) М.М. Андреев, А.М. Андреев. АТН Украины, Н.И. Майбенко ГУ «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности», г. Макеевка, ДНР На основании основных положений теории ТУМ разработан аналитический метод интегральной метанообильности ИМА, который проверен в широком диапазоне горногеологических условий и природному критерию достоверности расчетов. На их основании разработаны новые методы прогноза и управления термодинамическими процессами при ведении горных работ и определяющие параметры технологии высокого уровня добычи углеводородов. Based on the main provisions of the theory developed by analytical method integrated TUM methane abundance IMA, which is tested in a wide range of geological conditions and natural criterion reliability calculations. They developed new methods of forecasting and managing processes thermodynamic, TER-mining activities and define the parameters for highlevel technology of extraction of hydrocarbons. Ключевые слова: метанообильность, интегральная, метод, технологии, газодинамические, макромолекула, горючая масса, метаморфизм.. Keywords: methane bearing capacity, integral, method, technologies, gas, macromolecule, combustible mass, metamorphism. ТУМ, как раздел Горной науки, который изучает условия формирования и структурно-фазовых превращений макромолекулы горючей массы при изменении термодинамических параметров ее состояния в результате природной денудации вмещающего массива и внедрения в него горными выработками с целью прогноза и управления возникающими при этом газодинамическими явлениями, разработки пилотных проектов технологий высокого уровня добычи углеводородов[1-4]. ТУМ базируется на фундаментальных законах физической химии, геологии, физики Земли, технологии горного производства и

133

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве .

теории горного давления. Основные положения теории ТУМ включают: I. Х-А закон изменения степени метаморфизма угля (по весовому выходу летучих веществ от геодезической и стратиграфической глубины его залегания. 2.Аналитический метод определения метаноносности (истинной) горючей массы (АМИ). 3. Установленный критерий достоверности (надежности) всех расчетных методов прогноза (определения) метанопроявлений угленосного массива при ведении горных работ в рассматриваемых условиях- аналитический местный (локальный) метод определения интегральной метанообильности (АММ), который не зависит от уровня добычи рассматриваемой местности (выемочного участка, крыла, блока шахты, группы шахт) и является постоянным во времени ( для выемочного участка- после отхода лавы от разрезной печи на расстояние соизмеримое с длиной лавы), который фактически выражает метановый потенциал рассматриваемого объекта,[5-8]. 4.Зональность разгрузки массива при выемке угольного пласта и формировании системы аэродинамически связанных трещин в окрестности выработанного пространства очистной выработки с математической интерпретацией их параметров (САСТ) [1-4]. 5.Сочетание приведенныхосновных положенийТУМ позволило объединить в один гомологический ряд все формы газодинамических проявлений угленосного массива при внедрении в него горными выработками: 5.1. Стационарные и экстраординарные метановыделения, в том числе импульсно-неравномерные; 5.2.внезапные выбросы угля (породы и газа), горные удары; 5.3.аномально повышенные напряжения в массиве, внезапные прорывы породы в рабочее (выработанное) пространство пород кровли и/или почвы, в том числе поддутие пород почвы [9-10]. Разработан аналитический метод определения (прогноза) интегральной метанообильности участка (ИМА). За полувековой период сопоставления результатов расчета интегральной метанообильности участка методом ИМА с натурным (ММА), который охватывает около 300 шахт (более 2000 выемочных участков) показал, что их расхождение не превышает точности определения величины q (*м3/т) методом ММА. Наиболее полный анализ таких сопоставлений выполнен на шахте «Распадская» (Кузбасс) за шестилетний период ее работы (2004 -2009 гг) [2, 3, 4, 5, 11].

134

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве .

Высокий уровень надежности метода ИМА показал весьма близких к реальности разработанных физико-химических и математических моделей реакции угленосного массива на ведение горных работ. Использование основных положений ТУМ позволило разработать ряд методов прогноза (управления) газодинамическими процессами массива при ведении горных работ и базовых параметров технологии высокого уровня добычи углеводородов: 1. Динамический метод прогноза (определения) абсолютной метанообильности пластовой подготовительной выработки. 2. Метод прогноза (определения) периодичности и интенсивности импульсно-неравномерного выделения метана при ведении очистных работ. 1. Способы управления метанообильностью выемочного участка: 1.1. последовательность и порядок отработки пластов; 1.2. изменение способа управления кровлей в лавах; 1.3. применение специальных схем проветривания при отработке сближенных пластов; 1.4. управление метановыми потоками при отработке спаренных лав; 2. Способ полного изолированного отвода метана очистной выработки с помощью каптажной выработки. 3. Инвариантный комплексный способ дегазации (ИКД), предусматривающий использование экранирующих и барьерных скважин, который обеспечивает каптирование до 70% выделяющегося на участке метана, в том числе и из разрабатываемого пласта. 4. Технологические методы высокого уровня добычи углеводородов: 4.1.технология комплексной нейтрализации опасностей очистной выемки угля, использование которой предотвращает внезапные выбросы угля и газа, опасные (экстраординарные) выделения метана, снижает запыленность и температуру рудничного воздуха, травматизм от обрушений (падений) пород кровли, снижает плотность призабойного крепления, повышает комфортность условий очистной выемки и производительность труда [4]; 4.2.технология добычи угля с использованием внутренней энергии массива за счет инициирования управляемого выброса: технология требует разработки пилотногопроекта и сопровождения его реализаций разработчиками проекта [14,15];

135

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве .

4.3.технология производства водоугольного топлива (ВУТ) основанного на использовании выбрасываемого тонкодисперсного угля при реализации технологии 4.2. с водой [16]; 4.4.технология высокого уровня добычи нефти игаза позволяет без увеличения объема буровых работ в 1,5-2,5 раза увеличить объем извлечения минералов, в том числе из законсервированных скважин. Технология требует разработки пилотного проекта и, при его реализации, сопровождением его авторами проекта. В ходе исследований установлено, что ни один из существующих методов прогноза газовых параметров газодинамических проявлений угленосного массива, базирующийся на пористосорбционных представлений газоемкости горючей массы, не удовлетворяет критерию их достоверности- природному натурному методу ММА. Нормативные документы, разработанные на таких представлениях, не только искажают реальную картину метанопроявлений, но и, по своей сути, провоцируют развитие аварийных ситуаций, дезинформируют инженерно-технических и научных работников, препятствуют расследованию аварий и разработке технологий высокого уровня добычи угля. Выводы: 1.Организовать в системе министерств, связанных с добычей углеводородов и геологическим обеспечением: 1.1.обучение ИТР основам теории ТУМ; 1.2.разработать временные нормативные документы, обеспечивающие безопасность добычи и геологоразведочных работ на основе ТУМ, отменив обязательное исполнение таких документов в технологии добычи этих минералов. Установить порядок их ввода. На всех шахтах определить местную (локальную) интегральную метанообильность участков (шахт) и сопоставить их результаты с проектными решениями при их расхождении более 30% от интегрального метода ММА, принять меры по обеспечению безопасности работ. Рассмотреть возможность разработки пилотных проектов технологий высокого уровня добычи углеводородов и возможность их реализации при сопровождении разработчиками проектов. 2.Министерству образования: 2.1.подготовить учебники по курсу «Термодинамика угленосного массива» и «Конспект лекций» по этому курсу; 2.2.организовать курсы повышения квалификации профессорско-преподавательского состава высших и средних специальных учебных заведений, связанных с добычей углеводородов и их разведкой. Разработать конспект лекций для проведения такого курса обучений. Перечень ссылок

136

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве . 1. Андреев М.М. Введение в термодинамику угленосного массива.//Сб. докладов Международной научно-техн.конференции «Форум горняков- 2003».Днепропетровск:НГАУ, 2003.-С.51-602.Андреев М.М.Термодинамикаугленосногомассива.Тамже.С.31-40. 3.Андреев М.М. Определение и прогноз газоносности угольных пластов и газообильности шахт Донбасса.-М.;ЦНИЭИуголь.-1975.-57с. 4.Андреев М.М. и др. Технологические решения комплексной нейтрализации опасностей очистной выемки. // Проблемы горного давления. Донецк.-2007.№15.- С. 190-225. 5.Андреев М.М. и др. Метановый потенциал- критерий надежности методов термодинамики угленосного массива. // Геолог Украины.-2009.-№3.- С.- 1317. 6.Андреев М.М. и др. Метановый потенциал угольных шахт. « Уголь Украины», 2008.-№1.- С. 26-31. 7.Андреев М.М. и др. Критерий оценки расчетов метанового потенциала угольных шахт и месторождений. / Сб. научн. трудов ИГТМ НАНУ №87Д.,-2010.С.58-63. 8.Андреев М.М. и др. Интегральная метанообильность угольных шахт.(Материалы международной конференции « Форум горняков-2007».Д.;Национальный горный университет,2007.-С. 88-92. 9.Андреев М.М. Гомология газодинамических проявлений массива.//Разраб. месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб.1989.-вып.№83.-С.40-47. 10.Андреев М.М. Формирование петли гистерезиса давления.// Разраб. месторождений полезных ископаемых:Респ. межвед. науч.-техн. сб.-1989.-вып.№84.С.14-23 11. .Андреевы М.М.Импульсные выделения метана из разгружаемого угленосного массива / Сб. научн. трудов ИГТМ НАНУ №102Д.,-2012.-С.108-114. 12. .Андреевы М.М.Периоды апробации метода прогноза интегральной метанообильности шахты/ Сб. научн. трудов ИГТМ НАНУ №102Д.,-2012.-С.115121. 13.Андреев М.М. Пути и средства полного использования шахтного метана. «Уголь Украины»,1991.-№3.-С.33-34. 14.Андреев М.М. и др. Формирование метановых потоков угольных шахт и мониторинг их параметров. Донецк: Юго-Восток, 2004.-48с. 15.Андреев М.М. Технологические аспекты радикального повышения эффективности угледобычи. «Уголь Украины»,1998.-№4.-С.12-13. 16.Андреев М.М. Геотехнологии третьего тысячелетия. «Новые технологии-путь в будущее»: Сб. научных трудов и разработок.//Институт экономикоправовых исследований НАНУкраины.-Вып.2.-Донецк:ООО«ЮгоВосток,Лтд»,2003.–С.77-81.

137

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.8

СРЕДСТВА И СПОСОБЫ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ В ТУПИКОВЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ Заверюха В.В. ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001 viksuta@gmail.com В статье рассматриваются существующие способы и средства тушения пожаров в тупиковых горных выработках, направленные на обеспечение повышения эффективности и безопасности ведения горноспасательных работ. Приведен анализ последних исследований публикаций. The article discusses the existing methods and means of extinguishing fires in dead-end mine workings, aimed at ensuring an increase in the efficiency and safety of mine rescue operations. An analysis of recent research publications. Ключевые слова: пожар, метан, выброс, тупик, порошок, пена, инертный газ. Keywords: fire, methane, emission, dead end, powder, foam, inert gas. Постановка проблемы В угольной промышленности рост угледобычи происходит за счет использования современного оборудования и своевременного ввода в действие новой линии очистных забоев. Одной из причин нарушения нормального режима проходческих работ на горнодобывающих предприятиях являются возникающие в них аварии, особенно пожары. Причиной пожаров часто являются многочисленные случаи взрывов метано-воздушной смеси. Решение проблемы выбора способов и средств тушения пожаров в тупиковых горных выработках позволит обеспечить повышение эффективности и безопасности ведения аварийно-спасательных работ. Анализ последних исследований и публикаций Тушение пожаров в тупиковых гонных выработках, опасных по внезапным выбросам угля и газа носит сложный характер и часто сопровождается взрывами газовоздушной смеси, а так же возникающими вследствие этого пожарами. Возникновение взрывоопасной ситуации происходит из-за нарушения проветривания

138

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве выработок после остановки вентилятора местного проветривания (ВМП) либо сгорания вентиляционных труб. В условиях образовавшихся вследствие возникнувшего пожара, ведение горноспасательных работ затруднено, а в случаях задымленности, высокой температуры рудничной атмосферы либо повышение концентрации метана до 2% и дальнейшего его роста - невозможно, поэтому рекомендуется изоляция выработок[1] с применением инертных газов либо без них. Пожар, произошедший в тупиковой выработке, сложный в обращении и требует высоких технологий, особенно для угольных шахт с высоким содержанием газа. Если меры не будут подходящими, произойдет взрыв газа с последующим серьезным повреждением. Таким образом, в работе [2] был предложен метод с использованием подземного впрыска инертных газов, которому способствует наземное впрыскивание закиси азота. Пример принятия решения о затопление аварийного участка в связи со сложившимися сложными условиями для ликвидации аварии, а именно: нарушена работа дегазации и системы газоотсоса, образовались завалы, сократился расход воздуха, доля метана увеличилась, метан вызвал пожар, приведен в работе [3]. В работе [4] описываются легко переносимые автономные автоматические устройства, которые подают порошок непосредственно в место пожара. В работе [5] разработан способ дистанционного тушения пожара в тупиковой горной выработке при помощи подачи инертного газа к очагу пожара посредством гибкого трубопровода и вентилятора местного проветривания. Цель (задачи) исследования Целью настоящей работы является определение основных существующих способов и средств тушения пожаров, а также предотвращения взрывов метана в тупиковых выработках. Основной материал исследования Для тушения пожаров в тупиковых выработках применяются следующие способы и средства: активный способ, способ изоляции, тушение пожаров с помощью тонкодисперсного и супертонкодисперсного порошка, тушение пожаров в наклонных выработках, дистанционное тушение воздушно-механической пеной, впрыск инертного газа и закачка закиси азота, применение всасывающего проветривания. Эффективность различных пожаротушащих средств зависит от стадии развития пожара

139

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве (разгорание, развившийся пожар, затухание), горно-геологических и горнотехнических условий в которых происходит тушение пожара. Активный способ тушения пожаров Этот способ тушения пожара применяется на ранней стадии его развития. Активный способ тушения пожара основан на непосредственном воздействие на очаг пожара ручными порошковым и пенным огнетушителями, а также водой из пожарных стволов. Тушение пожара активным способом производится со стороны свежей струи воздуха. Тушение пожара способом изоляции К изоляции пожарного участка прибегаю в том случае, когда невозможно тушение пожара непосредственным воздействием на него, а также в случаях запрещающих ведение горноспасательных работ: - высокая температура; - превышение концентрации метана 2% и дальнейший его рост; - произошло нарушение проветривания выработки (перегорание вентиляционной трубы, остановка ВМП) При тушении пожара возникает большая опасность скопления м взрыва метановоздушной смеси, для предотвращения взрывов в изолированном пространстве прибегают к инертизации атмосферы[1,7,8,9]. Тушение пожаров с помощью тонкодисперсного и супертонкодисперсного порошка Порошок подается дистанционно по вентиляционному трубопроводу. Такой способ является эффективным при наличии нормального проветривания, длине тупиковой части выработки не более 200м и расходе воздуха 180-360м3/мин, а огнетушащего порошка 1-1,2кг/с. Огнетушащее действие порошка основано на прерывание реакции горения за счет образования на поверхности горения пленки, которая не допускает доступа кислорода[5]. Тушение пожаров в наклонных выработках Тушение пожаров сверху в наклонных тупиковых выработках с углом наклона 10-30° ручным порошковым огнетушителем также эффективно в начальной стадии при наличии подхода к очагу по условиям задымленности и температуры. Подача порошка дистанционно по вентиляционному трубопроводу будет эффективна, если расстояние до очага пожара не будет превышать 300м, а также при наличии нормального режима проветривания. Дистанционное тушение воздушно-механической пеной

140

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве При дистанционном тушении воздушно-механической пеной условием эффективного воздействия на очаг является наличие нормального режима проветривания тупиковой части выработки. Возможная дальность подачи пены в выработках с углом наклона до 10° составляет от 100 до 200м, а с углом наклона 10 - 30° - до 300м. Пена заполняет все сечение выработки препятствуя доступу кислорода, благодаря высокой подвижности и вязкости она быстро распространяется по сечению заполняя все пустоты. Пенная пробка длинной 200-220м способна выдерживать взрыв метановоздушной смеси [6]. Впрыск инертного газа и закачка закиси азота На основании характеристик пожара можно применить комбинацию подземного впрыска инертных газов и надземная закачка закиси азота. Процесс можно разделить на две части. Первым шагом является установка подземного оборудования, которое может генерировать инертный газ, и газ должен быть направлен в зону пожара. Количество инертного газа достаточно велико, чтобы замедлить выделение газа и уменьшить концентрацию газа, а также направить на зону пожара до тех пор, пока концентрация кислорода не станет меньше 7% и пожар не будет эффективно контролироваться. Вторым этапом является установка наземного оборудования для выработки и закачки закиси азота путем вдавливания после инертизации, температура будет падать и пожар полностью погаснет.Комбинация подземной закачки инертных газов и надземной закачки закиси является выполнимой и работоспособной, и может обеспечить хороший эффект при тушении пожара[2]. Применение всасывающего проветривания Применение всасывающего проветривания при пожарах в тупиковых выработках способствует расширению области эффективного тушения пожаров в таких местах активным способом, так как продукты горения удаляются в этом случае по трубопроводу, а горноспасательные работы ведутся на свежей струе воздуха. Однако этот способ обладает существенным недостатком: газовоздушная смесь проходит через рабочее колесо ВМП, в случае деформации которого может происходить искрение, что в свою очередь, может вызвать взрыв метана в трубопроводе [3]. Выводы. Из вышесказанного следует сделать вывод, что существующие средства непосредственного тушения пожаров в тупиковых выработках являются эффективными только при наличии непосредственного подхода к очагу. В то же

141

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве время технические способы и средства дистанционное тушения имеют ограничения по дальности подачи огнетушащих средств. Кроме того важное значение имеет проблема повышения эффективности и безопасности ведения горноспасательных работ по тушению и локализации пожаров в тупиковых выработках. Перечень ссылок 1. Устав по организации и ведению горноспасательных работ ГВГСС МЧС ДНР. – Донецк, 2016. – 328 с. 2. SUN Chundong Inert tehnology application for fire treatment in dead end referred to high gassy mine SUN Chundong, LIZhantao ,CHEN Li, GUO Xinhe / Elsevier. – 2011.-№26. - P. 712-716 3.Пашковский, П.С. Проветривание шахт при подземных пожарах / П.С. Пашковский, В.И. Лебедев. – Донецк: ЧП «Арпи», 2012. – 448 с. 4.Пилипенко, А.А. Процесс образования огнетушащей концентрации порошка в призабойном пространстве при эжекционно-рециркуляционной схеме проветривания / А. А. Пилипенко, И. Ф. Дикенштейн, С. А. Алексеенко // НауковийвісникНаціональногогірничогоуніверситету. - 2012. - № 4. - С. 133137. 5. Холодов, В.П. Разработка и совершенствование способов и средств тушения пожаров с учетом динамики их развития в тупиковых выработках шахт: дис.…канд. техн. наук: 05.26.01 / Холодов Владимир Петрович. – Донецк, 1990. – 163 с. 6. Булгаков, Ю.Ф. Разработка способа локализации взрыва метановоздушной смеси пеной при тушении пожаров в тупиковых горных выработках: дис…канд. техн. наук: 05.26.01 / Булгаков Юрий Федорович. Днепропетровск, 1987. – 150 с. 7. Аксенцев, З.С. Тушение пожаров в тупиковых выработках / З.С. Аксенцев, А.К. Козаков // Безопасность труда в промышленности. – 1979. - №9. – С.37-38. 8. Соболев, Г.Г. Изоляция пожарных очагов в тупиковых выработках // Горноспасательное дело. / Изд. 2-е перераб. и доп. – М: Недра, 1979. – С.271-273 9.Судиловский, М.Н. Предупреждение и ликвидация аварий в шахтах ФРГ / М.Н.Судиловский, М.В.Колышенко, Ф.Ф.Эйнер. – М.: Недра, 1988. – 144с.

142

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

УДК 622.413.4

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ ГЛУБОКИХ ШАХТ К.А. Подвигин Донецкий национальный технический университет, ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001 podvigin130415@gmail.com Выполнен анализ горнотехнических способов улучшения тепловых условий при разработке глубоких горизонтов угольных шахт. Приведен анализ применяемых стационарных и передвижных установок кондиционирования и средств локального охлаждения с использованием в качестве аккумулятора холода водо-ледяные элементы, а также средств индивидуальной противотепловой защиты горнорабочих. На основании результатов анализа современных средств нормализации микроклимата и средств индивидуальной противотепловой защитыгорнорабочих сделан вывод о целесообразности их применения. Ключевые слова: температура, системы разработки, микроклимат, тепловой фактор, безопасность, противотепловая защита, камера тепловой защиты, охлаждение вентиляцией. The analysis of mining techniques to improve thermal conditions in the development of deep horizons of coal mines. The analysis of stationary and mobile air-conditioning units used and means of local cooling using water-ice elements as a cold accumulator, as well as means of individual anti-thermal protection of miners is given. Based on the results of the analysis of modern means of normalizing the microclimate and means of individual anti-thermal protection, a conclusion was drawn about the expediency of their use. Key words: temperature, development systems, microclimate, heat factor, safety, anti-thermal protection, thermal protection chamber, cooling by ventilation. Постановка проблемы Глубина ведения горных работ на горнодобывающих предприятиях определяет тепловые условия работы горнорабочих. Контроль и нормализация тепловых условий позволяет обеспечить комфортные условия труда для персонала шахты, увеличивая тем

143

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве самым безопасность и производительность труда, а также улучшить технико-экономических показателей угледобычи. Однако существует проблема выбора средств нормализации тепловых условий глубоких шахт, которая обусловлена отсутствием сведений об их рациональной области применения. Состояние вопроса (литературный анализ) В настоящее время развитие горной промышленности осуществляется за счет разработки угольных пластов на больших глубинах. Общеизвестно, что одними из основных осложняющих работу шахт природных факторов является возрастающая с глубиной ведения горных работ горное давление и температура горного массива, определяющая тепловой режим горных выработок и рабочих мест. Необходимость создания благоприятных условия труда вынудило проектировать мощные стационарные, передвижные холодильные системы и средства кондиционирования рудничного воздуха [1], а также разработку горнотехнических способов улучшения температурных условий в выработках глубоких горизонтов шахт. Одним из нерешенных вопросов остается отсутствие методики выбора средств нормализации температуры рудничноговоздуха, которая бы учитывала сложившуюся горногеологическую обстановку. В связи с этим, актуальной научнотехническойзадачей является исследование рациональной области применения способов и средств контроля нагревающего микроклимата рудничнойатмосферы. Цель(задачи) исследования Целью настоящей работы является анализ литературыпо вопросу рационального применения существующих средств и способов нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких шахт. Основной материал исследования Одним из основных направлений улучшения климатических условий в горных выработках глубоких шахт является снижение температуры воздуха, подаваемого на рабочие места за счет применения горнотехнических мероприятий. В сложившихся условиях нагрев и увлажнение воздуха обусловлено сложной вентиляционной сетью, большой протяженностью воздухоподающих выработок и значительной обводненностью[1]. На основании выполненного анализа выделены основные факторы, влияющие на

144

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве формирование тепловлажностных параметров атмосферы в горных выработках,а также установлены горнотехнические меры по нормализации тепловых условий в выработках. Для сложившихся тепловых условий глубоких шахт наиболее эффективными являются следующее [1]:  увеличение расхода воздуха в выработках;  применение схем вскрытия, рациональных по тепловому фактору, а также подготовка шахтных полей и технологических схем ведения горных работ;  снижение влагонасыщения рудничного воздуха;  снижение нагревания воздуха от местных источников тепловыделения; По условию формирований тепловых условий в горных выработках технологические решения разработки пологих пластов подразделяются на 4 группы [1,2]. В первую группу входят технологические схемы с отработкой пластов длинными столбами восстанию или простиранию, с прямоточной схемой проветривания на выработанное пространство и подсвежением исходящей струи на транспортной выработке. Свежая струя подается по вентиляционной выработке предназначенной в основном для вентиляции, а конвейерный транспорт и основное участковое оборудование размещается на транспортной выработке с подсвежающей струей воздуха. Во вторую группу входят технологические схемы с отработкой пластов по восстанию или простиранию в большинстве случаев по комбинированной системе. При этом применяется прямоточная схема проветривания с отводом исходящей струи на выработанное пространство. Температурные условия при этих технологических схемах ухудшаются по сравнению с первой группой, так как транспортируемая горная масса и применяемое электрооборудование добычного участка размещается в воздухоподающей горной выработке, как следствие холодопотребность при этом возрастает. В третью группу входят технологические схемыс выемкой пластов длинными столбами по простиранию или восстанию и возвратноточной на угольный массив схемой вентиляции добычного участка. Свежий воздушный поток как и во второй группе технологических схем подается по выработке на которой размещено электрооборудование добычного участка и производится конвейерная транспортировка разрушенной горной массы. Тепловые условия в очистных забоях при применении данной технологической схемы так

145

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве же ухудшаются за счет поступления теплопритоков из выработанного пространства. В четвертую группу технологических схем входят схемы при которых выемка пласта ведется по простиранию сплошной системой разработки с использованием возвратноточной схемы проветривания с отводом исходящей струи на выработанное пространство. При применении данных технологических схем тепловые условия в очистных забоях наиболее тяжелые, так как дополнительно к недостаткам перечисленных в третьей группе технологических схем добавляются значительные утечки в выработанное пространство. На основании приведенного анализа источников [1] установлено, что наиболее рациональной технологической схемой в сложившихся сложных климатических условиях являются схемы, при которых разработка пластов ведется по простиранию или восстанию по столбовой системе разработки. Проветривание добычных участков осуществляется обособленным разбавлением вредных примесей по источникам их поступления в рудничную атмосферу, а конвейерную транспортировку отбитой горной массы и электрооборудование добычного участка необходимо размещать в выработке с подсвежающей воздушной струей. Наряду с внедрением рациональных по тепловому фактору технологических схем разработки угольных пластов производится разработка и внедрение целесообразных схем проветривания очистных и подготовительных забоев[2]. Данные вентиляционные схемы включают в себя попутное движение воздушного потока и транспортируемой горной массы, а также преимущества подачи свежей воздушной струи в очистной забой по выработкам освобожденных от электрооборудования и конвейеров. При проходке подготовительных горных выработок наиболее часто встречается нагнетательный способ проветривания. Применение нагнетательного проветривания тупиковых выработок сопровождается сообщением нагнетаемому воздушному потоку тепла от вентилятора местного проветривания. Прирост температуры воздуха подаваемого ВМП будет тем больше, чем больше общая мощность приводов ВМП и протяженность проводимой выработки. При проходке горных выработок большей длины прирост температуры воздуха от работы ВМП достигает 7-11°C. Для снижения температуры воздушного потока подаваемого в тупиковые горные выработки, рациональными считаются комбинированные схемы проветривания: нагнетательновсасывающие и всасывающие [2]. Одним из перспективных направлений регулирования температурных условий глубоких шахт

146

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве является разработка и внедрение пространственно-планировочных решений со скважинами большего сечения. При этом шахтные вентиляционные системы позволят значительно сократить путь подачи свежего воздуха в очистные и подготовительные выработки, снижая тем самым его температуру[1,3]. Проведенные исследования теплового режима тупиковых горных выработок показали, что повышение температуры подаваемого воздуха существенное зависит от воздухопроницаемости материала трубопроводов и недостатков их конструкции [1]. Для обеспечения планового расхода воздуха в шахтах зачастую устанавливают ВМП большей производительности, что приводит к дополнительному нагреву воздуха от энергоемких электроприводов. Улучшение аэродинамических характеристик вентиляционных трубопроводов было достигнуто путем введения в них рукавов синтетической пленки т.е. создание комбинированного трубопровода. Применение комбинированного трубопровода в тупиковых выработках позволило снизить температуру воздуха в призабойных зонах на 1,4-2,2 °C[11]. Применение горнотехнических способов улучшения температурного режима позволяет значительно снизить температуру воздуха на рабочих местах, однако следует отметить, что этого не достаточно для удовлетворения требованиям охраны труда. Для соблюдения требований охраны труда в настоящее время используются различные способы и средства охлаждения рудничного воздуха [1]: 1. Разнообразные типы холодильных установок; 2. Охлаждение дросселированием; 3. Охлаждение с использованием вихревого эффекта; 5. Охлаждение путем изменения агрегатного состояния вещества; 6.Охлаждение путем расширения газов с совершением внешней работы. Анализ известных и возможных теплотехнических способов кондиционирования рудничного воздуха для глубоких шахт позволяет выделить следующие способы улучшения микроклимата в шахтах с применением холодильных машин [1]: 1. Централизованное охлаждение всего поступающего в шахту воздуха на поверхности или в шахте; 2. Групповое охлаждение участка или полуцентрализованное охлаждение (охлаждение части воздуха, проходящего по горизонту);

147

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве 3. Местное охлаждение (охлаждение отдельных забоев в шахте); 4. Комбинированное вхождение воздуха, поступающего в шахту, затем у забоя или в околоствольном дворе; 5. Передвижные кондиционеры при частичном проветривании. Стационарные системы кондиционирования рудничного воздуха разделяют на две основные группы [1]: - с размещение холодильных станций на поверхности; - с размещением холодильных станций в горных выработках. Передвижные системы кондиционирования рудничного воздуха разделяют на следующие модификации: - с размещением передвижной холодильной машины в горной выработки с отводом теплоты конденсации водой шахтного притока; - с расположением передвижной холодильной машины в горной выработке и отводом теплоты конденсации водой, охлаждаемой в водоохладителе исходящей вентиляционной струей; - с расположением передвижной холодильной машины в горной выработке и отводом теплоты конденсации в градирне на поверхности (с использованием теплообменника высокого давления). Комбинированные системы кондиционирования рудничного воздуха – состоят из двух и более ступеней охлаждения. При этом необходимо отметить, что они не отличались высокой надежностью и работоспособностью, так как с наступлением холодов значительную часть турбо-компрессоров приходилось демонтировать и везти на заводизготовитель на ремонт. Впоследствии, отсутствие средств на ремонт изношенных и приобретение новых холодильных установок привело к тому, что число действующих на шахтах холодильных установок свелось к минимуму, а во многих очистных и подготовительных забоях температура горных пород достигает 37-49 0 С. Данные замеров температуры горного массива и температуры воздуха для шахт Донецкого бассейна приведены в работе [3]. В работе [2] предлагается структура теплового баланса горных выработок с учетом количества изопотенциальных поверхностей, с которыми воздух вступает в теплообмен и процессов, происходящих внутри объема воздуха. Наиболее рациональным с экономической точки зрения и единственно возможным при существующих требованиях по обеспечению нормальной температуры на рабочих местах участка, а не по всем выработкам, является способ охлаждения воздуха размещением холодильного оборудования вблизи выемочных

148

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве участков. Такой способ в настоящее время находит свое применение на шахтах Донбасса, однако многообразие условий горнотехнического и производственно-эксплуатационного характера еще не представляет возможности выработать универсальное и однозначное решение по исследуемому вопросу. Вместе с тем данный способ нормализации микроклимата является дорогостоящим процессом, ведущий к значительному росту себестоимости добываемого угля [4]. Охлаждение микроклимата рабочей зоны также осуществляется путем изолированного расширения газа [5]. Этот процесс обратимого расширения газа с выполнением внешней работы при отсутствии теплообмена с внешней средой осуществляется в расширительных машинах поршневого, турбинного или роторного типа. Применение воздушно-морозильных установок обосновано следующим: - воздух как хладагент не токсичен и доступен. Сжатый воздух может быть подан по магистральной сети или сжат участковым (местным) компрессором[6]; - воздушно-морозильные установки занимают малую площадь, что крайне важно в условия стесненного пространства; - все установки данного типа имеют высокую мобильность, а также малое время ввода и вывода с эксплуатации. К недостаткам воздушно-морозильных установок относятся: - высокая стоимость установок и их обслуживания; - необходимость наличия источника сжатого воздуха, что ведет к еще большему удорожания процесса охлаждения; - частый выход из строя и потребность дорогостоящего ремонта. Перечисленные недостатки практически свели к минимуму применениетурбо-холодильных установок в угольной промышленности. В настоящее времяэффективным способом для персонала шахты, работающего в местах с повышенной температурой и влажностью, является применение комплекта средств индивидуальной противотепловой защиты. Он состоит из специальной одежды, водяных охлаждающих элементов, морозильных установок для их замораживания, которые в замороженном виде будем именовать охлаждающими элементами (ОЭ), переносных контейнеров или передвижных вагонеток-термосов для доставки, хранения и оснащения одежды ОЭ [6,7]. Также перспективным направлением нормализации тепловых условий является применение сухого льда. Применение льда для охлаждения рудничного воздуха началось еще в девятнадцатом веке.

149

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Herbst и Kohl[8] сообщают о золотом и серебряном руднике в районе ComstockGang в WashoeMiningDistrict (США), который расположен в молодой вулканической зоне и поэтому демонстрирует необычайное повышение температуры микроклимата на рабочих местах. Условия в ComstockGang были уникальными и экстремальными. Длительная и дорогостоящая борьба с температурными условиями была оправдана высоким содержанием золота 33 серебра.Во время строительства Simplontunnels лед также использовался для контроля климатических условий - при температуре вмещающих пород значительно выше 50 °C. Pressel описывает в швейцарской строительной газете в 1906 году [9], среди прочего, метод охлаждения льдом. Лед применялся в системе дополнительного охлаждения в течение нескольких месяцев. Основная идея состояла в том, чтоб с охлаждаемого воздуха, вывести часть влаги в виде конденсата. Вспомогательная установка с тележкой для льда в Simplontunnels изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Вспомогательная охлаждающая установкаперемещаемая по рельсовому пути (1) с резервуаром для льда (3),рама с буферносцепным устройствоми колесными парами (2) и вентиляционного трубопровода (4) Kohl и Herbst к недостаткам этого типа использования льда относят[9]: - дорогое производство льда; - значительные сложности при транспортировке т.к. лед нагревается до температуры около 0 °C, что приводит к потере части льда; - под землей должны быть установлены дополнительные вентиляторы, которые продувают лед. Для каждого рабочего места

150

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве необходимо создавать отдельное охлаждающее устройство выполненные в виде резервуара со льдом и вентилятора. Чтобы обеспечить охлаждающий эффект, воздух должен подаваться на рабочие места с помощью изолированных трубопроводов. В 1982 году впервые было упомянуто намерение группы RandMines создать исследовательский проект для золотодобывающего рудника EastRandProprietaryMines (ERPM) со льдом в качестве хладагента. Физический принцип использования льда в качестве хладагента описываетсяследующим образом [8]: лед имеет температуру плавления 334 кДж/кг а удельная теплоемкость воды 4,188 кДж/кг К. Таким образом, тепло плавления так же велико, как тепло, с которым можно нагреть воду на 80 К. Если предположить, что вода используется в воздушной системе охлаждения, при которой рассол нагревается в среднем на 20 К и что вода из растопленного льда также нагревается на 20 К, то можно сделать вывод, что лед может поглощать в пять раз больше тепла на единицу массы, по сравнению с водой. Отсюда следует, что для циркуляции льда в качестве хладагента, лед должен составлять пятую часть от общей массы. Использование льда для контроля над температурой воздуха в рабочей зоне было изначально очень очевидной мерой, особенно если был доступен естественный лед.Использование льда для кондиционирования воздуха осуществлялось в три этапа: - на первом этапе лед продувался как можно ближе к рабочим точкам, что приводило охлаждению воздуха; - на втором этапе лед использовался в качестве хладагента. В настоящее время лед для нормализации тепловых условий на шахтах Донбасса не применяется, ввиду отсутствия современных технологий его применения для кондиционирования воздуха. Разработка и внедрение холодильных установок использующих в качестве аккумулятора холода лед позволит в будущем значительно сократить затраты на снижение температуры воздуха, соблюдая при этом правила безопасности. Выводы. Принимая во внимание стоимость, энергоемкость и затраты на обслуживание применяемых в настоящее время стационарных и передвижных холодильных машин, а также тот факт, что снижение температуры до требуемой правилами безопасности посредством кондиционирования практически невозможно, поэтому актуальной задачей является разработка новых средств защиты горнорабочих от неблагоприятных условий труда.

151

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Для локального охлаждения в нагревающем микроклимате целесообразно применять мобильные охлаждающие установки на базе разработанных в НИИГД «Респиратор» вагонеток-термосов входящих в мобильный комплекс противотепловых средств «Зима-А». Аккумулятором холода при этом рационально использовать водо-ледяные охлаждающие элементы, что полностью исключает контакт охлаждающего воздуха со льдом. Следовательно, при охлаждении воздуху не будет сообщаться дополнительная влажность, что в значительной мере улучшит микроклимат в охлаждающей зоне. Перечень ссылок 1. Мартынов А.А., Малеев И.В, Яковенко А.К Тепловой режим глубоких угольных шахт: монография / под ред. к.т.н. Мартынова А.А.;- Донецк: Издательство «Ноулидж»(Донецкое отделение), 2014.-443 с. 2.Батманов Ю.К., Андреев И.М., Мартынов А.А., Большаков П.Я. Подготовка выемочных полей в сложных геологических условиях. Уголь Украины. – 1997, №6. – С. 13-18. 3. Технологічні схеми провітрювання підготовчих виробок при всмоктувальному і комбінованих способах. Загальні вимоги / Стандарт Мінєнєрговугілля України. СОУ-П 05.1.00185790.019:2012.- Донецьк: ДонВУГІ, 2012.- 56с. 4. Мартынов А.А., Батманов Ю.К., Андреев И.М., Горовой Е.П. регулирования температуры воздуха в горных выработках шахт на основе локальных и блочных вентиляционных систем со скважинами / Доклады 7гозаседания Международного бюро по горной теплофизике. – Бургас, Болгария, 1996.- С.163-170. 5. Мартынов, А.А. Программное обеспечение расчета температуры воздуха на выемочных участках глубоких шахт / А.А. Мартынов, И.В. Малеев, А.К. Яковенко// Уголь Украины. – 2011. – №3. – С. 34-36. 6. Индивидуальная противогазотепловая защита / Булгаков Ю.Ф.[и др.]. – Донецк: Норд Компьютер, 2015.-385с. 7. Клименко, Ю.В. Разработка технических средств индивидуальной противотепловой защиты и метода подготовки горноспасателей для работы в экстремальных микроклиматических условиях: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.26.01 / Клименко Юрий Владимирович. – Донецк, 2002. – 21 с. 8. Kohl,E.: Eis- und Kältemaschinen im Dienste des Bergbaus, Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie 1934, S. 42 - 45 9. Voß, J.: Die Verwendung von Eis zur Wetterkühlung, Glückauf 1987, S. 360 – 367.

152

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН. Н.С. Скляров, В.В. Шейн Торезский Горный Техникум им. А.Ф. Засядько . В докладе проанализированы возможные методы которые дадут возможность повысить надежность и долговечность бурового оборудования. Ключевые слова: Надежности машин. Трение деталей. Механические и молекулярные связи. Шероховатости поверхности. Процесс окончательной механической обработки. The report analyzed possible methods that will make it possible to increase the reliability and durability of drilling equipment. Keywords: machine reliability. Friction parts. Mechanical and molecular bonds. Surface roughness. The process of final machining. Методы и возможности по повышению надежности машин весьма разнообразны и связаны со всеми этапами проектирования, изготовления и эксплуатации машин. Проводимые в этой области мероприятия можно разбить на несколько генеральных направлений Одно из основных направлений - это повышение стойкости изделий к внешним воздействиям. Сюда относятся методы создания прочных, жестких, износостойких узлов за счет их рациональной конструкции и применения материалов с соответствующими свойствами. Данное направление объединяет все те новейшие достижения в области конструирования и технологии, которые позволяют увеличивать стойкость узлов и механизмов по отношению к тем воздействиям, которые характерны для данного типа машин. Повышение сопротивляемости изделия внешним воздействиям тесно связано с задачами, встающими перед конструкторами, технологами и эксплуатационниками не только в связи с надежностью, но и с необходимостью обеспечивать заданные технические характеристики изделия, повышать производительность и быстроходность машин, уменьшать их габариты и металлоемкость. Целью моей работы является изучение возможных методов которые дадут возможность повысить надежность и долговечность бурового оборудования. Задачи которые необходимо рассмотреть в процессе работы это установление причин отказов, выявление видов изнашивания и

153

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве разрушение рабочих поверхностей деталей, оценка эксплуатационной надежности деталей и узлов, определение условий, при которых надежность резко снижается, разработка рекомендаций и мероприятий по повышению надежности оборудования и выбор наивыгоднейших путей обеспечения их надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации. При эксплуатации механизмов буровых машин появляется трение деталей между собой. Детали машин выходят из строя из-за износа при трении. У механизмов возникают изменения, возникающие в материалах деталей вследствие трения и изнашивания их поверхностей.

Рис 1. Вредное трение. Изнашивание это процесс разрушения и отделения материала поверхности твердого тела и постепенное изменение размеров и (или) формы тела. Сущность изнашивания заключается в том, что при относительно перемещении двух поверхностей в области их контакта возникают механические и молекулярные связи, сопровождающиеся тепловыми, окислительными и другими эффектами. Возникновение таких связей и последующий их разрыв приводят к разрушению микрообъемов поверхности и их удалению, т.е. к изнашиванию. Процесс изнашивания сопровождается изменением геометрических размеров и форм деталей, увеличением зазоров и люфтов различных сопряжений. В свою очередь это приводит к возникновению вибраций и повышенных шумов в механизмах, ударных нагрузок, потере герметичности, сопровождаемой утечкой рабочих жидкостей и газов (цилиндрпоршень двигателя, коренные шейки коленчатого вала - вкладыши подшипников, пневматическая и гидравлическая аппаратура и др.). Интенсивность изнашивания деталей соединений машин зависит от шероховатости поверхности. Рассмотрим эту проблему подробнее. При обработке металлов резанием не получится идеально

154

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве гладкая и ровная поверхность деталей, всегда останутся следы в виде впадин, задиров и другие неровности, которые называют гребешками . Я считаю, для уменьшения интенсивности механического истирания поверхностей необходимо выбирать такой технологический процесс окончательной механической обработки, при котором достигается оптимальный размер шероховатостей. Это относится как к процессам изготовления новых, так и при восстановлении изношенных деталей.

Рис 2. Трение необработанных поверхностей. Считается, что исходную шероховатость следует выбирать по ее значению после приработки. Например, исходная шероховатость шатунов и коренных шеек коленчатых валов лежит в пределах 9-11 классов. Всякая трущаяся поверхность имеет определенную шероховатость в виде выступов (гребешков) и впадин, которая часто не может быть обнаружена невооруженным глазом. При соприкосновении таких шероховатых поверхностей выступы одной из них попадают во впадины другой, в результате чего получается зацепление, а следовательно, и сопротивление при скольжении тел. Чем глубже выступы одной шероховатой поверхности входят во впадины другой, тем труднее передвигать одно тело по поверхности

155

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве другого, так как этому движению будет препятствовать сопротивление выступов. В этом случае коэффициент трения должен зависеть от величины шероховатости поверхностей, давления на поверхность, скорости скольжения и от механических свойств материалов, т. е. от того, насколько легко могут деформироваться и разрушаться имеющиеся на поверхности выступы. Отсюда следует, например, что чем больше шероховатость поверхности, тем большей должна быть сила трения. Можно добавить и ещё одну проблему, которую надо удалить. При таком сближении поверхностей с микронеровностями приводит как к контакту микронеровностей, так и к взаимному проникновению микровыступов одной из поверхностей во впадины другой. При относительном перемещении трущихся поверхностей происходит смятие, сдвиг или изгиб микронеровностей. Одни из них испытывают упругие деформации, другие — пластические. При этом контактное давление на отдельных микровыступах достигает больших значений. При таком давлении в контактных точках возникают температурные вспышки, при которых происходит сваривание микровыступов с почти мгновенным разрывом мостиков сварки. В результате описанных процессов происходит разрушение и деформация трущихся поверхностей. Материалы для смазки в основном собираются в впадинах. При уменьшении глубины впадин увеличивается площадь смазки и естественно уменьшается износ.

Рис 3. Способы уменьшения трения. Можно сделать вывод, что для уменьшения интенсивности механического изнашивания необходимо при механической обработке деталей обеспечивать оптимальную шероховатость поверхности, увеличить чистоту обработки детали. Качество обработанной

156

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве поверхности характеризуется точностью ее изготовления в соответствии с размерами, заданными конструктором, ее физикомеханическими свойствами и шероховатостью, полученными в результате обработки. Одним из важных методов уменьшения износа и повышение надёжности это применение смазывающих материалов. Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания. Смазка — это действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшаются износ, повреждения поверхности и (или) сила трения. Трение без смазочного материала происходит между двумя телами при отсутствии на поверхностях трения введенного смазочного материала любого вида. Твердые тела при этом взаимодействуют непосредственно. Такое трение сопровождается пластическими деформациями и даже временным прочным сцеплением отдельных точек контактирующих поверхностей. ЧТО вызывает их интенсивное разрушение. Трение со смазочным материалом происходит между двумя телами, поверхности трения которых покрыты введенным смазочным материалом любого вида. Но невозможно достичь высокой надежности и долговечности с непрогрессивным рабочим процессом и несовершенной схемой или несовершенными механизмами. Поэтому первым направлением повышения надежности является обеспечение необходимого технического уровня изделий. Кроме этого, следует применять агрегаты с высокой надежностью и долговечностью, которые обеспечиваются самой природой, т.е. быстроходных агрегатов без механических передач; деталей, работающих при напряжениях ниже пределов выносливости, и др. Необходимо отметить, что переход на изготовление машин по строго регламентированной технологии заключает в себе резерв повышения надежности. Выводы. Для уменьшения интенсивности механического изнашивания необходимо при механической обработке деталей обеспечивать оптимальную шероховатость поверхности, увеличить чистоту обработки детали. Качество обработанной поверхности характеризуется точностью ее изготовления в соответствии с размерами, заданными конструктором, ее физико-механическими свойствами и шероховатостью, полученными в результате обработки. Физико-механические свойства обработанных поверхностей определяются в основном химическим

157

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве составом данного металла, микроструктурой, прочностью, твердостью, остаточными напряжениями, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Перечень ссылок 1. И.А. Королев, В.А. Красный. Теория трения и изнашивания:Учебнометодический комплекс [Электронный ресурс] Санкт-Петербургский горный университет. СПб, 2016. 2. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. [Электронный ресурс]– М., Изд-во стандартов, 1977. 3. Проников А.С. Основы надежности и долговечности машин. [Электронный ресурс]– М., Изд-во стандартов, 1986.

158

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ С ПОМОЩЬЮ ПИРОЛИЗА Д.Ю. Бондарев, М.Э. Кочерова, М.И. Базыма ДОНМАН, школа №18 г Торез. В.В. Шейн ДОНМАН, Торезский горный техникум им А.Ф. Засядько. В докладе проанализирована возможность переработки отходов, безопасной для окружающей среды, с помощью пиролиза, получением ликвидной продукции. Ключевые слова: Экологическая проблема. Сжигание отходов. Вред здоровью. Пиролиз. Бескислородная среда. Переработка мусора в топливо. The report analyzed the possibility of processing waste that is safe for the environment using pyrolysis, obtaining liquid products. Key words: Ecological problem. Waste incineration Harm to health. Pyrolysis. Oxygen free environment. Recycling garbage into fuel. Отходы это неоднородные по химическому составу, сложные смеси веществ, обладающих разнообразными физико-химическими и физико-механическими свойствами. Общая направленность химического и вещественного состава отходов обусловлена взаимодействием компонентов, биологическим разложением и ассимиляцией веществ. Утилизация отходов – одна из важнейших проблем современной цивилизации. Накопление отходов наносит вред не только экологии и здоровью человека, но и влечет за собой серьезный социальный и экономический ущерб. Сжигание на открытых свалках и захоронение – самые известные и доступные способы утилизации мусора. При сжигании мусора, в воздух, в огромном количестве выделяются вредные и ядовитые химические соединения. Открытые свалки, кроме того, что распространяют зловоние, кишат насекомыми и грызунами – источниками и переносчиками многих инфекционных заболеваний. Захоронение мусора, в особенности, если оно осуществляется бесконтрольно, что, к сожалению, может привести к опасным последствиям: загрязнению грунтовых вод или неконтролируемым возгораниям, которые происходят, когда газ, образуемый вследствие разложения отходов без доступа воздуха, воспламеняется. Кроме того, метан, который составляет 70% газа, выделяемого гниющими

159

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве отходами, при большой концентрации приводит к гибели растительности. Грамотная технология и своевременная утилизация отходов от это единственный выход из затруднительного положения. На сегодняшний день уже составлены специальные нормы, придерживаясь которых можно наладить переработку и утилизацию ненужного мусора. Целью данной работы является исследование утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов в условиях подвода тепла от электродугового нагревателя с получением, в качестве продукта переработки, горючего газа и изучение параметров предлагаемого процесса. Задачи исследований 1. Определение и анализ параметров и КПД процесса утилизации отходов. 2. Обоснование экологической и энергетической эффективности утилизации углеродсодержащих твердых бытовых отходов в установке с использованием электродугового способа подвода тепла. Научная новизна 1. Предложен способ высокотемпературной утилизации углеродсодержащих отходов (с возможностью применения в малогабаритных реакторах) без доступа воздуха, с применением, в качестве источника тепла, электродугового нагревателя. г 2. Разработана методика определения компонентов получаемого горючего газа на основе уравнений материального и теплового баланса в реакторе при утилизации углеродсодержащих отходов. 3. Впервые проведены исследования по раздельной утилизации ряда основных компонентов отходов, позволяющие оценить перспективность применения данного метода. Практическая значимость работы. Выполненное обоснование целесообразности термической утилизации углеродсодержащих отходов без подачи воздуха дает возможность получения и последующего использования горючего газа для производства тепловой и электрической энергии. Существуют три метода решения проблемы утилизации отходов:  свалки;  сжигание мусора;  раздельный сбор и утилизация. Хранение отходов на свалках не решает проблемы с увеличением количества мусора. Хуже того, большое количество

160

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве токсических и вредных веществ вредит окружающей среде и здоровью жителей близлежащих районов. Сжигание отходов – это один из способов по избавлению от мусора. Суть метода заключается в термической обработке твердых бытовых отходов, которые разлагаются на пепел, шлак. Используют сегодня технологию переработки твёрдых бытовых отходов, посредством нагревания и термического разложения в котлах или печах. После высокотемпературного разложения образуются продукты сгорания: пепел, шлаки и летучие газы. Этот метод позволяет снизить объём бытовых отходов для захоронения примерно в 10 раз.

Рис 1. Мусоросжигательный завод. Сжигание отходов на старых заводах, не имеющих, современных систем фильтрации наносит значительный ущерб экологии. Попадая в почву, образующиеся при сгорании вещества разлагаются десятилетиями. Опасность заключается в отравлении вод, почвы и воздуха. Так как пищевая цепочка может закончиться на человеке. Такого рода вещества способны вызвать множество тяжелых и неизлечимых недугов, в том числе онкологию, повреждая иммунную систему человека, печень, мозг и кожу. Жизнь огромных городов невозможна без заводов по сжиганию бытовых отходов. На заводах по утилизации перерабатывается и уничтожается великое количество мусора, что ежедневно оставляет после себя современный город. В противном случае человечество бы давно уже утонуло в собственных отходах.

161

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Наиболее перспективным способом обезвреживания отходов потребления является переработка с помощью пиролиза Пиролиз — термическое разложение органических и многих неорганических соединений. Метод представляет собой термическое уничтожение отходов в специализированных герметичных печах. Данные печи представляют собой оригинальные конструкции, состоящие из двух отсеков, в которых мусор сжигается таким образом, что сам процесс не нуждается в доступе атмосферного кислорода.

Рис 2. Технологическая схема переработки пиролизом. При такой переработке сырья загрязнения воздуха не происходит. Процесс приводит к образованию топлива, которое может быть использовано для бытовых и производственных нужд. Мы получаем бесплатный и почти неиссякаемый источник энергии. Пиролизная установка – реактор, представляющий собой шахтную печь со встроенной швельшахтой и системой эвакуации газов, предотвращающей смешивание пиролизных и дымовых газов. Из сортировочного отделения отходов по системе конвейерных транспортеров попадают в приемный бункер пиролизной установки. Из бункера отходы забирают грейферным ковшом, смонтированным на подъемном кране. Кран подает отходы в промежуточный бункер, днищем которого служит пластинчатый питатель, предназначенный для загрузки отходов в верхнюю часть реактора, оборудованную тремя затворами шиберного типа. В печи пиролизной установки при температуре 500...550 °С без доступа воздуха происходит термическая деструкция (пиролиз) отходов. В результате образуется парогазовая смесь, содержащая в своем составе летучие вещества, пары смолы и твердый углеродсодержащий продукт – пирокарбон. Присутствующие в отходах кожа, пластмасса, резина и другие продукты разлагаются,

162

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве образуя летучие вещества, которые помимо СО2 и Н2О, С1, Р, SО2 содержат углеводороды (олефины, парафины и т. д.). Пиролизные газы подвергаются дальнейшему окислению в специальной камере дожига, превращаясь в менее опасные вещества. Камера дожига имеет горелку, через которую подают природный газ или мазут и воздух на горение, а для снижения температуры образующихся дымовых газов – воздух. Переработка различных органических отходов человеческой жизнедеятельности методом пиролиза является перспективной сферой, потому что при переработке отходов таким методом количество канцерогенных и загрязняющих факторов, выделяемых в окружающую среду в процессе переработки этих отходов должно быть значительно меньше количества таких же факторов, выделяемых отходами в процессе естественного распада. Кроме того, в результате переработки отходов методом пиролиза получается ценные высоколиквидные продукты— вторичное углеводородное сырье и топливо, значение которых в настоящее время все более возрастает в связи с истощением природных источников такого сырья.

Рис 3. Полезные продукты пиролиза. Выводы. Пиролиз – это не просто экологически безвредный способ утилизации отходов, но и изрядная экономия средств. Из пиролизных печей на выходе можно получить такие компоненты, как газ, пиролизное масло и технический углерод и другие полезные продукты. Данные продукты можно использовать самыми разными способами. Пиролизное масло и газ можно применять в качестве топлива для обогрева помещений, нагрева воды в котельных, выработки электроэнергии. Часть газа можно использовать для поддержания бесперебойной автономной работы самой установки.

163

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Технический углерод может быть использован в производстве резин, а также в качестве наполнителя или адсорбента. Фактический пиролиз – безотходное производство, работающее на вторичном сырье – экономия при таком способе переработки мусора колоссальная. Перечень ссылок 1. Бернадиер М.Н., Жижин В.В., Ивонов В.В. Термическое обезвоживание промышленных отходов московского региона / Бернадиер М.Н., Жижин В.В., Ивонов В.В Экология и промышленность России. Апрель, 2000. Интернет-ресурсы: 1. "Все для студента" www.twirpx.com

164

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. В.В. Лапин, Е.А. Сажченко, А.В. Курявая, В.В. Шейн ДОНМАН, Торезский Горный Техникум им. А.Ф. Засядько В докладе проанализирована возможность Создания экологически чистого двигателя, потребляющего в виде топлива возобновляемые природные ресурсы. Двигатель должен быть компактным, мощным, простым в производстве и эксплуатации и иметь высокий КПД Ключевые слова: Глобализация негативных последствий. Проблема загрязнения природной среды. Альтернативные энергетические установки. Горение водорода. Экологически чистый двигатель. Гибридные модели двигателя. The report analyzed the possibility of creating an environmentally friendly engine that consumes renewable natural resources in the form of fuel. The engine must be compact, powerful, easy to manufacture and operate and have high efficiency Keywords: globalization of negative consequences. The problem of environmental pollution. Alternative power plants. Hydrogen burning. Environmentally friendly engine. Hybrid engine models. Характерной особенностью нашего времени является интенсификация и глобализация воздействия человека на окружающую его природную среду, что сопровождается небывалыми ранее интенсификацией и глобализацией негативных последствий этого воздействия. И если раньше человечество испытывало локальные и региональные экологические кризисы, которые могли привести к гибели какой-либо цивилизации, но не препятствовали дальнейшему прогрессу человеческого рода в целом, то теперешняя экологическая ситуация чревата глобальным экологическим коллапсом. Поскольку современный человек разрушает механизмы целостного функционирования биосферы в планетарном масштабе. Кризисных точек как в проблемном, так и в пространственном смысле становится все больше, и они оказываются тесно связанными между собой, образуя становящуюся все более частой сеть. Именно это

165

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве обстоятельство и позволяет говорить о наличии глобального экологического кризиса и угрозе экологической катастрофы Проблема загрязнения природной среды становится столь острой как из-за роста объемов промышленного и сельскохозяйственного производства, так и в связи с качественным изменением производства под влиянием научно-технического прогресса.

Рис 1. Экологические проблемы. Цель исследования: Создание экологически чистого двигателя, потребляющего в виде топлива возобновляемые природные ресурсы. Двигатель должен быть компактным, мощным, простым в производстве и эксплуатации и иметь высокий КПД. Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач. С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию. По этой причине

166

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе. Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

Рис 2. Работа ДВС на газе. Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень. На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так. Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду,

167

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве позволяя мотору питаться необходимым топливом. Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород. Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно. Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача. По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается. Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности.

Рис 3. Водородный аккумулятор.

168

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом. Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором. Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Двигатель на водородных топливных элементах . Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте. Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны.

Рис 4. Задача создания ДВС. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод. В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через

169

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи. Такая реакция образует воду, при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента. Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. Выводы. Сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам. Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин. Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. Перечень ссылок 1. Легасов В. А. Атомно-водородная энергетика и технология / Легасов В.А.- М., 1978, с. 11-36; 2. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей / Мищенко А.И., К., 1984;

170

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 621.646.94 ГРНТИ 52.01.84

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАКОНА ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГОСОПРОТИВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ В.М. Оверко, В.П. Овсянников Донецкий национальный технический университет, ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001 ovp@mine.donntu.org

В статье рассмотрены результаты исследований переходных процессов в трубопроводах шахтных водоотливных установок и на этой основе предложены принципы определения оптимальных параметров закона изменения гидравлического сопротивления устройства защиты этих гидросистем от гидравлических ударов Ключевые слова: водоотливная установка, динамические процессы, оптимизации параметров, гидравлический диод, гидравлический удар. The article considers the results of studies of transient processes in the pipelines of mine drainage installations and on this basis suggested the principles for determining the parameters of the optimal law for changing the hydraulic resistance of the pipeline protection device against hydraulic shocks Key words: drainage installation, dynamic processes, parameter optimization, hydraulic diode, hydraulic shock. Актуальность работы. Проблема создания эффективных, надежных и простых в эксплуатации средств защиты водоотливных установок шахт от гидравлических ударов по-прежнему остается актуальной. Как отмечается в [1], острота проблемы возрастает по мере увеличения глубины шахт и необходимости откачивать воду на выработок неработающих угольных предприятиях при ограниченном объёме финансирования. Очевидно, что длительность срока, в течение которого эта проблема не находит эффективного практического решения, безусловно указывает на необходимость дальнейших теоретических исследований в этой области, и, в частности, определения способа оптимизации закона изменения параметров специальных гидравли-

171

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве ческих диодов [4], которые могут служить эффективным средством для защиты трубопроводов шахтных водоотливных установок от гидравлических ударов Анализ последних исследований и публикаций. Существует целый ряд работ, посвященных определению параметров законов изменения гидравлического сопротивления устройств защиты трубопроводов от гидравлических ударов. Например, в статье [1] авторами рассмотрены общие принципы оптимизации параметров динамических процессов в напорных трубопроводах водоотливных установок на основании графоаналитических расчетов гидравлического удара в рамках допущений, приведенных [2,3]. Как отмечено выше, в статье [4] рассмотрена возможность предотвращения гидравлических ударов в шахтных водоотливных установках с помощью специальных обратных клапанов. В статьях [5,6] рассматриваются вопросы надежности и эффективность защиты шахтных водоотливных установках с помощью гидравлических диодов. Цель работы: Получение алгоритма определения оптимальных параметров закона изменения гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов водоотливных установок от гидравлических ударов.

Рис. 1 Гидравлический удар в незащищенном трубопроводе

172

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Материалы и результаты исследований. На рисунке 1 показан график изменения давления в начале трубопровода водоотливной установки при внезапном отключении насосного агрегата. Параметры этой установки приведены в статье [7]. Следует отметить, что все графики, приведенные в данной работе, получены в рамках математической модели и использованием алгоритма расчета гидравлического удара которые представлены в статье [1]. В соответствии с методикой, изложенной в [4] для этой водоотливной установки могут быть найдены требуемые параметры специального обратного клапана (неуправляемого гидравлического диода) при этом предполагается, что гидравлическое сопротивление этого клапана при работе изменяется мгновенно [4]. Единственным параметром в таком случае является обратное сопротивление диода, которое, по результатам расчётов [4] для рассматриваемой водоотливной установки оказывается равным max

c2  5,4 10 5 m 5

Это значение можно считать верхней границей величины оптимального гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов от гидравлических ударов при помощи управляемого гидравлического диода На рисунке 2 показан график изменения давления в начале трубопровода водоотливной установки, защищенной этим способом, который подтверждает его эффективность.

173

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 2 Переходный процесс в начале защищенного трубопровода при мгновенном изменении сопротивления управляемого гидравлического диода Однако параметры переходного процесса в середине защищенного трубопровода при мгновенном изменении сопротивления неуправляемого гидравлического диода, (рисунок 3), показывают, что такое устройство не защищает трубопровод по всей длине и решение этой задачи с нашей точки зрения может заключаться в оптимизации закона изменения сопротивления гидравлического диода, то есть в использовании устройства, гидравлическое сопротивление которого изменяется по заранее определенному закону.

174

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 3 Переходный процесс в середине защищенного трубопровода при мгновенном изменении сопротивления гидравлического диода Предварительный проведенный анализ показывает, что минимальное число параметров, определяющих искомый закон изменения сопротивления, равно трём. Это: t min - момент начала процесса изменения гидравлического сопротивления c; t max момент окончания процесса изменения гидравлического сопротивления c;

c2 at – скорость изменения гидравлического сопротивления 5 . m

Очевидно, что три параметра определяют линейный закон изменения гидравлического сопротивления, для которого и будут рассмотрены принципы определения оптимальных параметров. Очевидно, что при определении этих оптимальных параметров необходим критерий оптимизации, численное значение которого будем обозначить символом . Способ расчета этого критерия для переходных процессов в защищенном от гидравлических ударов трубопроводе предложен в [7]. Если в приведенных в [7] формулах перейти

175

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве от интегралов к суммам, то численно этот критерий может быть определён из выражения:

i     ifmax( p ( x ,t ) p ( x , 0 ) /1, 2&i imin

 1 else 0  1)  1 else 0

if ( p ( x ,t )  p ( x , 0 )1, 2&imin 1)

max

(1)

То есть, величина  показывает сколько раз графики функций p(x,t), показывающее изменение давления в сечениях трубопровода с координатой x в моменты времени t, пересекают линии которые определяются уравнениями p( x,0) 1,2 и p(x,0) / 1,2 в системе координат x,t,p, где x – координата вдоль длины трубопровода 0≤x≤Ltp, t – независимая переменная – время, 1,2 – коэффициент определяющий допустимый уровень превышения давления над стационарным p(x,0), Ltp, длина трубопровода. Кроме того, при оптимизации параметров необходимо исключить из рассмотрения те законы изменения характеристик гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов от гидравлических ударов, при которых

p( x, t )  p( x, t ) 1,4

(2)

то есть исключаются те законы, при которых где-либо уровни повышения давления в каком-либо сечении защищенного трубопровода x превышают максимально допустимый. Для гидравлического удара в незащищенной водоотливной установке в начале трубопровода график которого показан на рисунке 1 подсчитать критерий o по формуле 1 только в одном сечении трубопровода - в начале то есть при (x=0), то o оказывается равным 9, при этом критерий 2 не выполняется в точке установки гидравлического диода (рисунок 3), то есть по формальным признакам трубопровод не защищен от гидравлических ударов полностью. А реализуемый в данном алгоритме закон изменения параметров гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов от гидравлических ударов - мгновенное изменение сопротивления диода в момент tmin, который определяется из условия: Q(Ltp/2,tmin)<=0,

(3)

где Q(Ltp/2, tmin) - расход жидкости в сечении трубопровода с координатой x=Ltp/2, то есть в точке установки устройства защиты работа которого рассматривается в статье [4], не является оптимальным.

176

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве На рисунке 4 показан график изменения давления в начале защищенного трубопровода при линейном изменении обратного сопроmax тивления гидравлического диода от 0 до ao начиная от момента времени tmin до tmax . Из очевидных требований - возможности реализации и обеспечения работы системы управления сопротивлением гидравлического диода при внезапном отключении электроэнергии, следует, что величину tmax следует выбирать из условия:

tmax   min 

(4)

Рис. 4 Переходный процесс в начале защищенного трубопровода при линейном изменении сопротивления гидравлического диода от max 0 до ao начиная от момента времени tmin до tmax при безусловном не выполнении условия 2. Приведенного на рисунке 4 графика tmax=4.5 секунды tmin=1.55 секунды, и, очевидно, что: . Таким образом, находится верхний предел скорости изменения сопротивления гидравлического диода. Из тех же соображений простоты реализации и надежности работы системы управления сопротивлением гидравлического диода следует, что величину ледует выбирать из условия:

177

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве →

(5)

 

опять-таки при безусловном не выполнении условия 2. Соответствующие графики приведены на рисунке 5.

Рис. 5 Переходный процесс в начале защищенного трубопровода при линейном изменении сопротивления гидравлического диода от 0 до начиная от момента времени tmin до , tmax Естественно, возникает задача реализации полученного оптимального закона изменения сопротивления гидравлического диода. Если в качестве исполнительного элемента этого устройства использовать, например, задвижку с затвором и гидроприводом то необходимо получить закон изменения положения штока задвижки с учетом зависимости ее сопротивления от положения этого штока. Примеры подобного расчета так же приведен в статье [7]. С использованием предложенной там методики был получен график, приведенный на рисунке 6, показывающий закон изменения положения штока затвора задвижки, реализующей оптимальное для рассматриваемой водоотливной установки изменение сопротивления управляемого гидравлического диода, график которого также дан на рисунке 6.

178

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 6 Линейный закон изменения сопротивления гидравлического диода от 0 до начиная от момента времени tmin до , tmax и соответствующий ему закон изменения положения штока задвижки. Перспективы дальнейших исследований. Дальнейшие исследования с нашей точки зрения следует вести в направлении поиска простых и надежных средств реализации предлагаемых способов защиты. С частности, рассмотреть возможности гидравлического привода, как основного средства управления гидравлическим сопротивлением, например, провести анализ возможностей его функционирования при внезапном отключении источников электроэнергии.

179

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

tmin, 𝑎𝑜𝑚𝑎𝑥

(4)

(5)

(5),(2),(1)

𝒂задвижки 𝒕

Рис. 7. Алгоритм, позволяющий определить параметры оптимального закона изменения гидравлического сопротивления устройства защиты трубопроводов от гидравлических ударов водоотливной установки

Выводы. Таким образом, на примере определения оптимальных параметров управляемого гидравлического диода для конкретной водоотливной установки рассмотрен весь алгоритм определения параметров оптимального закона изменения гидравлического сопротивления управляемого гидравлического диода, который можно использовать в качестве устройства защиты трубопроводов водоотливных установок от гидравлических ударов. Рассмотренную выше процедуру определе-

180

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве ния параметров оптимального закона изменения гидравлического сопротивления устройства защиты можно представить в виде укрупненной схемы алгоритма действий, позволяющих определить соответствующие параметры для водоотливной установки с конкретными параметрами. Графическое представление этой схемы показано на рисунке 7. Перечень ссылок 1. Оверко В.М. Выбор оптимальных способов функционирования и базовых параметров средств защиты трубопроводов от гидравлических ударов / В.М. Оверко, В.П. Овсянников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. – 2012. – Вип. 23 (196). – С. 30-35 2. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети / Л. Бержерон. – М.: Машгиз, 1962. – 348 с. 5. 3. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах / Д.А. Фокс. – М.: Энергоиздат, 1981. – 248 с, ил. 6. 4. Г.М. Тимошенко, В.П. Овсянников О возможности предотвращения гидравлических ударов в шахтных водоотливных установках с помощью специальных кланов. Дел. в УКРНИИНТИ 21стр. 27.05.85 № 1132 5. Оверко В.М. Влияние количества гидравлических диодов на эффективность защиты водоотливных установок от гидравлического удара / В.М. Оверко, В.П. Овсянников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. – 2008. – Вип. 16 (142). – С. 210- 215. 6. Оверко В.М. Повышение надежности водоотливных установок, защищенных гидравлическими диодами / В.М. Оверко, В.П. Овсянников // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничоелектромеханічна. – 2010. – Вип. 18 (172). – С. 226-233. 7. Кононенко А.П. Программное дросселирование как метод защиты водоотливной установки от гидравлического удара / А.П. Кононенко В.П. Овсянников М.В. Оверко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. – 2013. – Вип. 1 (25). – С. 96-103.

181

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.016.22 К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЫВАЛООБРАЗОВАНИЙ ПРИ ПРОХОДКЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ И.В. Купенко Донецкий национальный технический университет, ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001 ivk1978@gmail.com Проведены исследования, позволившие повысить прогностическую способность ранее полученной модели для оценки вероятности вывалообразований при сооружении вертикальных стволов угольных шахт Донбасса. В результате выполненного ROC-анализа прогнозной эффективности модели установлено оптимальное значение порога отсечения, при котором количество ошибочных прогнозов вывалообразований и их отсутствия сводится к минимуму. Ключевые слова: вертикальный ствол, проходка ствола, устойчивость горных пород, породный вывал, бинарная логистическая регрессия, ROC-анализ, чувствительность, специфичность. Studies have been carried out that made it possible to increase the predictive ability of the previously obtained model to estimate the likelihood of dumping during the construction of vertical shafts of the coal mines of Donbass. As a result of the ROC-analysis of the predicted efficiency of the model, the optimal cut-off value was established, at which the number of erroneous predictions of fouling and their absence is minimized. Key words: vertical shaft, shaft driving, rock stability, rock fall, binary logistic regression, ROC analysis, sensitivity, specificity. Актуальность работы. В настоящее время для оценки устойчивости пород околоствольного массива используется критерий С, вошедший в нормативный документ [1]. Следует отметить, что во многих случаях прогнозы устойчивости вмещающих ствол пород с использованием этого критерия противоречат данным натурных наблюдений. Так, результаты исследований [2] показывают, что указанный критерий неэффективен при оценке устойчивости пород околоствольного массива на малых глубинах. Кроме того, вывалы при проходке стволов неоднократно отмечались в породных слоях, отнесенных к категориям «устойчивые» и «среднеустойчивые» [2]. Таким образом, использование крите-

182

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве рия С не позволяет получить абсолютно достоверных оценок устойчивости пород околоствольного массива. Учитывая сказанное выше, автором по результатам обработки сведений журналов проходок была предложена модель, позволяющая оценивать вероятность вывалообразований при сооружении стволов [3, 4]. Существенный недостаток данной модели состоит в том, что она гораздо хуже предсказывает вывалообразования, чем их отсутствие. Для повышения прогнозной эффективности модели необходимо провести дальнейшие исследования по результатам которых подобрать оптимальный порог отсечения, т.е. такое значение вероятности разделения наблюдений на классы «вывал есть» и «вывала нет», при котором количество неверных прогнозов будет минимизировано. Для этого на начальном этапе исследований необходимо произвести ROC-анализ (Receiver Operating Characteristic) прогностической эффективности модели. Цель работы состоит в повышении прогнозной эффективности полученной ранее модели, позволяющей оценивать вероятность вывалообразований при сооружении вертикальных стволов угольных шахт Донбасса путем установления оптимального значения порога отсечения посредством ROC-анализа. Материалы и результаты анализа. Исходные данные для исследований получены путем анализа сведений журналов проходок и вывалообразований по 16 стволам 10 шахт, расположенных в 3 геолого-промышленных районах: Красноармейском, Донецко-Макеевском и Чистяково-Снежнянском. Автором были обработаны данные по 2814 породным слоям, т.е. всего было выполнено 2814 наблюдений [3, 4]. При этом выявлено 1022 вывала, приуроченных к 775 породным слоям. Установлено, что вероятность вывалообразований для i-го породного слоя можно определить по (1): 1 i  , (1) 1  exp   0,334 K N ,i  0,168mсл,i  0,011Rсж,i  2,693





где

Rсж,i – предел прочности породы i-го породного слоя на одноосное сжатие, МПа; KN,i – коэффициент учитывающий количество систем трещин и слоистость i-го породного слоя (принимался согласно рекомендаций [5]); mсл,i – мощность i-го породного слоя, м. Результаты классификации наблюдений по обучающей и контрольной выборкам для модели приведены в табл. 1.

183

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Таблица 1 Классификационная таблица при пороге отсечения cut-off =0,5 Предсказанные Обучающая выборка Контрольная выборка ВЫВАЛ ВЫВАЛ Фактические Процент Процент правильправильНет Есть Нет Есть ных, % ных, % Нет 1491 113 93,0 402 33 92,4 ВЫВАЛ Есть 304 314 50,8 70 87 55,4 Общая доля, % 81,2 82,6 Итак, ниже произведем ROC-анализ прогностической эффективности модели. В ходе анализа исследуем два класса: с положительными (вывалообразования есть) и отрицательными исходами (вывалообразований нет). Изменяя значения параметра cut-off в пределах от 0 до 1 можно получить различные варианты разделения наблюдений на классы. На основе предсказанной и фактической их принадлежности к тому или иному классу строится матрица ошибок классификации (табл. 2). В табл. 2 использованы такие обозначения: TP (True Positives) – количество правильно классифицированных моделью положительных случаев, т.е. истинно положительные случаи; TN (True Negatives) – количество правильно классифицированных моделью отрицательных случаев, т.е. истинно отрицательные случаи; FN (False Negatives) – количество положительных случаев классифицированных моделью как отрицательные, т.е. ложно отрицательные случаи или ошибки I рода; FP (False Positives) – количество отрицательных случаев классифицированных моделью как положительные, т.е. ложно положительные случаи или ошибки II рода. Таблица 2 Общий вид матрицы ошибок классификации для модели Предсказанные Отрицательный слу- Положительный слуФактические чай (вывалообразочай (вывалообразований нет) вания есть) Отрицательный случай TN FP (вывалообразований нет) Положительный случай FN TP (вывалообразования есть)

184

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Рассчитаем чувствительность SE и специфичность SP модели. В соответствии с табл. 1, для порога чувствительности cut-off = 0,5 получим: TP 314 SE    0,508 , (2) TP  FN 314  304 TN 1491 SP    0,930 . (3) TN  FP 1491  113 Далее, для как можно большего количества значений cut-off производим переклассификации наблюдений, на основании которых по (2) и (3) рассчитываем значения SE и SP и строим ROC-кривую, откладывая по оси абсцисс значения 1–SP, а по оси ординат – SE. В нашем случае кривая построена по 1357 точкам (рис. 1). Диагональная прямая на рис. 1 соответствует ROC-кривой для модели с нулевой прогнозной эффективностью. ROC-кривая для модели с идеальной предсказательной способностью пройдет через точку с координатами (1–SP=0; SE=1). Следовательно, чем сильнее выгнута ROC-кривая и чем более она отдалена от диагональной прямой SE =1–SP, тем лучше модель прогнозирует результат. Мерой этого свойства служит показатель AUC (Area Under Curve), т.е. площадь под ROC-кривой. Для моделей с нулевой степенью прогнозирования AUC=0,5, а для идеальной модели AUC=1. Значения этого показателя по данным обучающих выборок для исходной и новой моделей рассчитаны методом трапеций и приведены в табл. 3. Перед проведением расчетов была принята нулевая гипотеза о равенстве AUC=0,5. В соответствии с полученными результатами (табл. 3), указанную гипотезу следует отклонить. Данные табл. 3 показывают, что уровень прогностический способности модели можно считать очень высоким.

Рис. 1. Вид ROC-кривой для полученной модели

185

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

AUC

Стандартная ошибка определения AUC

0,871

0,008

Таблица 3 Результаты расчета показателя AUC 95% доверительный интервал для AUC Значимость Нижняя граВерхняя ница граница <0,001

0,855

0,887

Далее определим величину порога отсечения для модели (рис. 2). Как следует из рис. 2, абсциссой точки баланса, в которой чувствительность и специфичность совпадают и равны 0,7945 является cut-off=0,2103. При таком пороге отсечения модель будет одинаково успешно прогнозировать наличие и отсутствие вывалообразований.

Рис. 2. К определению оптимального значения cut-off В табл. 4 в качестве примера приведены полученные значения SE и SP для 10 различных значений cut-off. Оптимальный порог классификации, обеспечивающий минимум ошибок I и II рода, т.е. максимальную предсказательную способность модели, соответствует значению cut-off=0,1698. При этом TP=534, TN=1168, FP=436, FN=84, SE=0,8641, SP=0,7282, а значение SE + SP = 1,5923 достигает наибольшей величины.

186

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Таблица 4 Результаты расчетов SE и SP для некоторых значений cut-off SE  SP cut-off SE SP 1 – SP SE + SP 0 1 0 1 1 1 0,1 0,979 0,254 0,746 1,233 0,725 0,2 0,809 0,771 0,229 1,580 0,038 0,3 0,681 0,863 0,137 1,544 0,182 0,4 0,587 0,903 0,097 1,490 0,315 0,5 0,508 0,930 0,070 1,438 0,422 0,6 0,450 0,949 0,051 1,399 0,499 0,7 0,369 0,968 0,032 1,337 0,599 0,8 0,311 0,978 0,022 1,288 0,667 0,9 0,176 0,992 0,008 1,168 0,816 1 0 1 0 1 1 Уменьшение значений cut-off от 0,1698 до 0 приведет к дальнейшему снижению количества ошибок I рода, в результате чего получим «гипердиагностику» вывалообразований. При увеличении cutoff от 0,1698 до 1 будет уменьшаться количество ошибок II рода, а модель будет диагностировать только «доподлинные» вывалы. Следует отметить, что снижение количества ошибок I рода автоматически приводит к увеличению количества ошибок II рода и наоборот. Таким образом, варьируя значением параметра cut-off, можно осуществлять управление рисками при прогнозировании наличия/отсутствия вывалообразований в породном слое при проходке стволов. При этом изменение cut-off никак не отражается на величине коэффициентов уравнения регрессии и на других параметрах модели, однако гарантированно влияет на результаты классификации. В заключении построим классификационную диаграмму, соответствующую оптимальному порогу отсечения cut-off=0,1698 (рис. 3). По горизонтальной оси (рис. 3) отложены значения вероятностей, рассчитанных по уравнению регрессии, а по вертикальной – частоты. Каждый столбик соответствует определенной вероятности вывалообразования, а его высота показывает количество породных слоев для которых она предсказана. При этом высота столбика в один символ соответствует 20 наблюдениям. Столбики, включающие и «0» и «1» свидетельствуют об ошибках предсказания. Отметим, что в идеальной модели все символы «0» (нет вывалообразований) должны оказаться слева от границы отсечения, а символы «1» (есть вывалообразования) – справа от нее.

187

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 3. Диаграмма классификации для случая оптимального порога отсечения В целом, по итогам проведенного анализа можно сделать вывод об адекватности и достаточно высоком уровне прогностической способности полученной нами модели. Выводы 1. Проведенные исследования позволили повысить прогностическую способность полученной ранее модели, позволяющей оценивать вероятность вывалообразований при сооружении вертикальных стволов угольных шахт Донбасса. 2. В результате выполненного ROC-анализа прогнозной эффективности модели установлено, что величина оптимального порога отсечения, т.е. значение вероятности разделения наблюдений на классы «вывал есть» и «вывала нет», при котором количество неверных прогнозов сводится к минимуму cut-off = 0,1698. 3. При величине порога отсечения cut-off=0,2103 модель будет одинаково успешно прогнозировать появление вывалообразований и их отсутствие. При этом ожидаемая доля верных прогнозов составляет 79,45%. Перечень ссылок 1. СП 91.13330.2012. Подземные горные выработки. Актуализированная редакция СНиП II-94-80. – М.: ФАУ «ФЦС», 2012. – 58 с. 2. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах : дис. … докт. техн. наук : 05.15.04 / В.В. Левит ; Нац. горн. ун-т. – Днепропетровск, 1999. – 463 с. 3. Купенко, И.В. Оценка вероятности вывалообразований при проходке вертикальных стволов / И.В. Купенко // Проблемы горного давления. –2016. – №1 (28). – С. 22–38. – http://pgd.donntu.org/images/archive/28/03_kupenko.pdf (дата

188

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве обращения: 30.04.2019). 4. Купенко, И.В. К вопросу о прогнозировании вывалообразований при проходке вертикальных стволов / И.В. Купенко // Проблемы горного давления. – 2016. – №3 (30). – С. 3–13. – URL: http://pgd.donntu.org/images/archive/30/01_kupenko.pdf (дата обращения: 30.04.2019). 5. Булычев Н.С. Крепь вертикальных стволов шахт / Н.С. Булычев, Х.И. Абрамсон. – М.: Недра, 1978. – 301 с.

189

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве УДК 622.233.6:622.271.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РЕЖИМНЫХ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ А.Ю. Грицаенко, С.В. Борщевский, С.В. Кононыхин, И.В. Купенко Донецкий национальный технический университет, ул. Артема, 58, г. Донецк, 83001 ivk1978@gmail.com На кафедре СЗПСиГ ведутся работы, направленные на повышение эффективности и безопасности буровзрывных работ при проходке вертикальных и проведении горизонтальных и наклонных горных выработок угольных шахт. Успешное продолжение этих работ требует решения задач, связанных с бурением шпуров малого диаметра в высокопрочных горных породах. Авторы данной статьи полагают, что решению этих задач может способствовать создание нового породоразрушающего инструмента типа шарошечного долота. Поэтому на кафедре СЗПСиГ ведутся работы по созданию шарошечных долот, основанных на новом принципе формирования ударного импульса. Ключевые слова: долота одношарошечное, трёхшарошечное, вертикальная и наклонные цапфы, скорость и энергоемкость бурения, дисперсия первой гармоники. At the Department of SZPSiG, work is underway aimed at improving the efficiency and safety of drilling and blasting operations when sinking vertical and carrying out horizontal and inclined mine workings of coal mines. Successful continuation of these works requires solving problems associated with drilling small-diameter holes in high-strength rocks. The authors of this article believe that the creation of a new rock cutting tool such as a roller bit can contribute to solving these problems. Therefore, the department of SZPSiG is working on the creation of roller bits, based on the new principle of the formation of a shock pulse. Key words: single-bit chisel, tricone, vertical and inclined trunnions, drilling speed and power intensity, first harmonic dispersion. Новизна. При бурении ударный импульс формируется на забое скважины путём преобразования вращательного движения корпуса долота в перекатывание шарошки с зубками по забою. При этом

190

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве корпус шарошечного долота воспринимает отраженный от породы забоя импульс энергии и передаёт его по буровой штанге на корпус бурового станка. В то же время шарошечные долота позволяют генерировать ударные импульсы непосредственно на забое скважины, а на буровой станок по буровому ставу поступают только отраженные от горной породы и затухающие импульсы, но иногда вызывающие высокий уровень вибраций отдельных частей и всего бурового станка. Высокий уровень вибрации, поступающий по буровому ставу из забоя скважины, является ограничением в повышении производительности шарошечного бурения. Вибрации вызваны несовершенной конструкцией шарошечного долота. Шарошечное долото содержит два последовательно соединённых консольных элемента, цапфу, с поворачивающейся на ней шарошкой, которая консольно закреплена на лапе и лапу с цапфой и шарошкой, которая консольно закреплена на корпусе долота. В трёхшарошечном долоте таких три элемента, параллельно закреплёных на корпусе долота. Одним из направлений решения проблемы может быть исключение промежуточных элементов из конструкции шарошечного долота путём передачи усилия подачи долота на забой от корпуса долота непосредственно на шарошку [1-3]. Такая конструкция не совсем будет шарошечным долотом, так как, при этом, у шарошки убирается элемент вокруг которого она перекатывается – цапфа. Название такого долота шарошечным будет не корректным, так связывает сознание специалиста с вращением шарошки вокруг отсутствующей наклонной цапфы. В тоже время остаётся главный исполнительный элемент – шарошка с укреплёнными на ней породоразрушающими зубками, но другой формы и конструкции. Для исключения путаницы в терминах требуется другое отличительное название, например шарошечное долото с вертикальной цапфой. Объект исследования. Для возможности разработки бурового шарошечного долота для бурения шпуров малого диаметра и для возможности сравнения с реально существующими шарошечными долотами нами разработана, изготовлена и испытана конструкция шарошечного долота с вертикальной цапфой, позволяющая передать усилие подачи и энергию движения от корпуса долота на шарошку [47]. Аналитические вопросы передачи движения от корпуса долота на шарошку в этой работе не приведены, поэтому сразу рассмотрим конструкцию нового долота, диаметр которого 76 мм выбран для возможности сравнения с аналогами выпускающимися промышленностью.

191

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Цель работы – провести исследования долот новой и известной конструкций, дать сравнительную оценку установить по технологическим и динамическим показателям работы для уточнения направления дальнейших исследований и разработки бурового инструмента. Последовательность выполнения работы. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на буровом стенде путём реализации двухфакторного плана с числом опытов N=9, каждый фактор реализован на трёх уровнях, с повторением каждого опыта. Исследования проводились при бурении одношарошечным долотом с вертикальной цапфой диаметром 76 мм (рис. 1) и трехшарошечным долотом Ш-76 на буровом стенде в монолитном блоке известняка, крепостью f=8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Запись динамических нагрузок велись путём тензометрирования продольных колебаний. В качестве факторов, оказывающих влияние на технологические параметры бурения, были приняты: Х1 – усилие подачи на забой, (F = 20,40,60 кН); Х2 – частота вращения долота, (ω=100,150,300 об/мин).

Рис.1. Одношарошечное долото с вертикальной цапфой Долото состоит из шарошки 1, корпуса 2, цапфы 3, сферического подшипника 4, гайки 5, радиально-упорного подшипника 6, наружной обоймы 7, гаек 8, 9, твердосплавных вставок 10. Сборка долота производится следующим образом. Цапфа 3, вставляется в обойму сферического подшипника 4 и крепится гайкой 5 в шарошке 1. Цапфа 4 в сборе с шарошкой вставляется в отверстие корпуса и фиксируется от смещения. Шарошка 1 армируется твердосплавными зубками 10. Долото работает следующим образом.

192

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве При вращении корпуса долота, шарошка при отсутствии контакта с забоем за счет сил трения увлекается и вращается вместе с корпусом. При воздействии долота на забой штырьки 7 внедряются в породу, шарошка 1 удерживается от вращения. Корпус 2 своей наклонной торцевой поверхностью скользит по торцевой поверхности шарошки 1, которая изменяет свое положение относительно забоя, наклоняясь в разные стороны по мере вращения корпуса. Конструктивные и режимные параметры бурения представлены в таблице 1. В качестве измерительной аппаратуры продольных колебаний использовался осциллограф, тензоусилитель, тензодатчики. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1. Таблица 1. Технологические показатели бурения долотами d=76 мм на буровом стенде № Натурал о ьные п значения факт. F, ω, кН рад /с

Кодиров анные обозн. факторо в X1, X2, (F) (ω)

Одношарошечное долото, ОДВ-76

Трёхшарошечное долото, ШД-76

V1, V2, м м/ /мин мин

Э1, мД ж/ м

Э2, мД ж/ м

S12 , Н2

V1, м/м ин

V2, м/м ин

Э1, мДж /м

Э2, мД ж/ м

S12 , Н2

-1

0,100

0,068

2,03

3,00

924

0,048

0,053

3,78

3,41

-1

0,081

0,070

2,98

2,75

519

0,079

0,083

3,63

3,66

-1

0,153

0,117

2,23

2,92

359

0,117

0,110

4,04

4,60

4 5

43 43

10 20

0 0

-1 0

0,115 0,214

0,125 0,236

2,52 2,10

2,72 2,67

571 453

0,067 0,081

0,057 0,082

5,04 5,00

5,49 5,04

0,364

0,328

1,73

1,92

437

0,144

0,147

3,90

3,83

-1

0,150

0,128

3,36

3,46

594

0,083

0,070

4,04

4,52

0,217

0,276

2,32

1,85

531

0,125

0,129

3,90

4,36

0,444

0,300

1,45

1,40

468

0,163

0,160

4,49

4,31

248 0 657 0 154 00 700 118 4 111 00 550 0 221 00 225 50

Измеряемыми величинами были время бурения одного метра скважины, ток и напряжение электродвигателя ротора, уровень вибраций. Уровень вибрации измерялся методом тензометрирования и обработки осциллограмм. По результатам замеров были рассчитаны скорость V, м/мин и энергоемкость бурения. Энергоемкость бурения определялась путем деления затрачиваемой мощности на скорость

193

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве бурения. Усилие подачи на долото P (Х1) и частота вращения, ω (Х2) изменялось на трёх уровнях. По результатам обработки экспериментальных данных (табл. 1) получены уравнения регрессии (1-6). Y1 = 0,2190+ 0,0772Х1 + 0,0850Х2 + 0,0455Х1Х2 - 0,0545Х12 - 0,0170Х22; Y2 = 2,3101 -0,1725Х1 -0,4533Х2 -0,5112Х1Х2 + 0,2026Х12 + 0,0499Х22; Y3 = 448,1 +273,2Х1 -137,5Х2 + 109,75Х1Х2 +78,85Х12 + 57,84Х22; Y4 = 0,0695+ 0,0551Х1 + 0,0737Х2 + 0,0581Х1Х2 -0,040Х12 - 0,040Х22; Y5 = 4,7018+ 0,2083Х1 -0,0925Х2 -0,1512Х1Х2 -0,6549Х12 - 0,0226Х22; Y6 = 6803,1+1727,5Х1 + 334,8Х2 -4041,2Х1Х2 + 4723,0Х12 – 3711,9Х22.

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

Рис. 2. Зависимость скорости бурения одношарошечного и трёхша-рошечного долот от: а) усилия подачи; б) частоты вращения На рис. 2, а показаны графики зависимости скорости бурения одношарошечного и трёхшарошечного долот от усилия подачи при одинаковой частоте вращения долот ω =300 об/мин, верхняя кривая для одношарошечного долота (ОШД), нижняя кривая - для трёхшарошечного долота (ШД). Присвоим долотам обозначения в

194

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве скобках для их дальнейшего использования. Усилие подачи изменялось от 20 кН до 60 кН. В указанном диапазоне, для долота ОШД, скорость бурения возросла от Vбур.= 0,28 м/мин до Vбур.= 0,4 м/мин, а для долота ШД скорость бурения возросла от Vбур.= 0,12 м/мин. до Vбур.= 0,17 м/мин. Исследования проведены при частоте вращения для обоих долот ω =300 об/мин. Интенсивность роста скорости бурения с ростом усилия подачи у долота ОШД выше, чем у долота ШД, но для долота ОШД после достижения усилия Ϝ= 40 кН интенсивность роста скорости бурения снижается. На рис.2, б показаны графики зависимости скорости бурения одношарошечного (ОШД) и трёхшарошечного (ШД) долот в зависимости от частоты вращения долот при одинаковом усилия подачи Ϝ=60 кН. Верхняя кривая на графике показывает зависимость скорости бурения для одношарошечного долота (ОШД) от изменения частоты вращения, нижняя кривая то же самое для трёхшарошечного долота (ШД). При небольшой скорости вращения, ω=100 об/мин, скорости бурения обоих долот отличаются незначительно, соответственно Vбур.= 0,08 м/мин. для долота ШД и Vбур.= 0,135 м/мин. для долота ОШД. С увеличением частоты вращения скорости бурения обоих долот существенно возрастают. Причем для ШД по линейному закону, а для ОШД – по гиперболическому и значительно отличаются. В конце диапазона скорость бурения долотом ШД достигает Vбур.= 0,16 м/мин, а для долота ОШД скорость бурения достигает Vбур.= 0,40 м/мин. На рис. 3, а показаны графики зависимости энергоемкости бурения одношарошечного и трёхшарошечного долот от усилия подачи при одинаковой частоте вращения долот ω =300 об/мин, нижняя кривая для одношарошечного долота (ОШД), верхняя кривая для трёхшарошечного долота (ШД). Усилие подачи изменялось от 20 кН до 60 кН. При небольшом усилии подачи, Ϝ= 20 кН, энергоемкость бурения долота ОШД достигает величины Эбур.= 1,58 мДж/м, а для долота ШД достигает величины Эбур.= 3,85 мДж/м. С увеличением усилия подачи энергоемкости бурения обоих долот изменяются по экстремальному закону и в конце диапазона изменения, при усилии подачи Ϝ= 60 кН энергоёмкость бурения для долота ОШД достигает величины Эбур.= 2,8 мДж/м, а долота ШД энергоемкость выше и достигает величины Эбур.= 4,2 мДж/м. Причем энергоемкости изменяются по экстремальному закону. Для долота ОШД минимальная величина экстремума достигается при Ϝ=32 кН, а для

195

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве долота ШД – максимальная величина экстремума достигается при Ϝ=40 кН.

Рис. 3. Зависимость энергоемкости затрачиваемой на бурение одношарошечным и трёхшарошечным долотами от: а) усилия подачи, б) частоты вращения На рис. 3б показаны, графики зависимости энергоемкости бурения одношарошечного и трёхшарошечного долот в зависимости от частоты вращения долот при одинаковом усилия подачи, Ϝ=60 кН. Верхняя кривая на графике показывает зависимость энергоекости бурения для трёхшарошечного долота (ШД) от изменения частоты вращения, нижняя кривая такая же зависимость для одношарошечного долота (ОШД). При небольшой скорости вращения, ω=100 об/мин, энергоемкость бурения долота ОШД достигает величины Эбур.= 2,45 мДж/м, а для долота ШД достигает величины Эбур.= 4,5 мДж/м. С увеличением усилия подачи энергоемкости бурения долот изменяются по экстремальному закону и в конце диапазона изменения, при усилии подачи Ϝ= 60 кН энергоёмкость бурения для долота ОШД достигает величины Эбур.= 2,8 мДж/м, а долота ШД энергоемкость выше и достигает величины Эбур.= 4,2 мДж/м. Причем энергоемкость бурения для долота ОШД изменяются по экстремальному закону, минимальная величина экстремума, Эбур.= 1,3 мДж/м, достигается при ω=200 об/мин, а для долота ШД – энергоемкость бурения снижается с увеличением частоты вращения до величины Эбур.= 4,0 мДж/м. На рис. 4, а показаны графики зависимости дисперсии 1-ой гармоники продольных колебаний при бурении одношарошечным долотом ОШД и трёхшарошечным долотом (ШД) от усилия подачи при одинаковой частоте вращения долот ω =300 об/мин.

196

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве

Рис. 4. Зависимость дисперсии первой гармоники продольных колебаний одношарошечного и трёхшарошечного долот от: а) усилия подачи, б) частоты вращения Наклонная прямая линия, показывающая, что с увеличением усилия подачи долота, снижается дисперсия 1-ой гармоники продольных колебаний, получена при бурении одношарошечным долотом (ОШД). При минимальном усилии подачи дисперсия 1-ой гармоники достигает D= 500 ед. С увеличением усилия подачи долота дисперсия равномерно снижается до величины D=430 ед. Верхняя кривая, показывает зависимость изменения дисперсии 1-ой гармоники продольных колебаний трёхшарошечного долота (ШД) от усилия подачи. Зависимость экстремального вида, минимальное значение которой D= 3500 ед. достигается при усилии подачи при F= 45 кН. При минимальном усилии подачи достигается максимальное значение дисперсии 1-ой гармоники, D= 14000 ед., а при максимальном значении усилия подачи значение дисперсии достигает величины D=6000 ед. На рис. 4, б показаны графики зависимости дисперсии 1-ой гармоники продольных колебаний при бурении одношарошечным долотом ОШД и трёхшарошечным долотом (ШД) от изменения частоты вращения от 100 об/мин до 300 об/мин, при одинаковом усилии подачи долот,F= 60 кН. Нижняя кривая, для одношарошечного долота (ОШД), показывает, что с увеличением усилия подачи дисперсия плавно снижается от значения D= 760 ед. до значения D= 500 ед. При высоких частотах вращения кривая зависимости дисперсии выполаживается. Верхняя кривая показывает зависимость дисперсии 1-ой гармоники от частоты вращения. Кривая выражает экстремальную зависимость, максимальное значение которой, D= 14200 ед., достигается при ω=170 об/мин. Дальнейшее увеличение усилия подачи снижает дисперсию 1-ой гармоники до величины D= 5000 ед.

197

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве Для определения рационального сочетания режимных и технологических факторов рассмотренные зависимости сведены вместе в виде двух суммарных графиков, представленных на рис. 5а и 5б. На рис. 5, а показаны графики зависимости скорости, энергоемкости и дисперсии 1-ой гармоники продольных колебаний при бурении одношарошечным долотом ОШД и трёхшарошечным долотом (ШД) от усилия подачи при одинаковой частоте вращения долот ω =300 об/мин. Для одношарошечного долота ОШД оптимальное усилие подачи достигается при усилии подачи Ϝ= 60 кН так как достигается максимальная скорость бурения и минимальная дисперсия 1-ой гармоники продольных колебаний, а увеличение энергоемкости бурения при этом усилии подачи прямопропорционально скорости бурения. Для трёхшарошечного долота ШД усилие подачи будет наилучшим при Ϝ= 40 кН, так как с увеличением усилия подачи существенно возникает дисперсия 1-ой, основной, гармоники продольных колебаний и вынуждает снижать усилие подачи этого долота из-за недопустимо высокого уровня вибраций элементов бурового станка.

Рис. 5. Зависимость скорости, энергоемкости бурения, и дисперсии 1-ой гармоники одношарошечного и трёхшарошечного долот от: а) усилия подачи, б) частоты вращения На рис. 5, б показаны графики зависимости скорости, энергоемкости и дисперсии 1-ой гармоники продольных колебаний при бурении одношарошечным долотом ОШД и трёхшарошечным долотом (ШД) от при одинаковой частоте вращения долот и усилии подачи Ϝ=60 кН. Для одношарошечного долота ОШД оптимальная частота вращения достигается при ω=200 об/мин, так как достигается максимальная скорость бурения и продолжается снижаться дисперсия 1-ой гармоники продольных колебаний с увеличение частоты

198

Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве вращения, а увеличение энергоемкости бурения при этом усилии подачи прямопропорционально скорости бурения. Для трёхшарошечного долота ШД частота вращения так же будет наилучшей при ω=300 об/мин, так как при этом существенно снижается дисперсия 1-ой, гармоники продольных колебаний. Однако высокий уровень вибраций, D=6000 ед. при этой частоте вращения вынуждает снижать частоту вращения этого долота из-за недопустимо высокого уровня вибраций элементов бурового станка. Выводы 1. Скорость бурения одношарошечным и трёхшарошечным долотами, в заданном диапазоне , возрастает с увеличением режимных параметров, усилия подачи и частоты вращения. Скорость бурения одношарошечным долотом с вертикальной цапфой выше примерно в два раза, энергоёмкость ниже в два раза и дисперсия первой гармоники продольных колебаний ниже более чем в десять раз, чем при бурении трёхшарошечным долотом. 2. Для одношарошечного долота рекомендуется увеличивать режимные параметры бурения по усилию подачи и частоте вращения по причине невысокого уровня дисперсии 1-ой гармоники колебаний на буровом станке. 3. Для трёхшарошечного долота рекомендуется ограничить увеличение режимных параметров бурения величинами Ϝ= 40 кН и ω =200 об /мин, чтобы не допускать высокий уровень вибраций бурового станка. 4. Рекомендовать к использованию конструкцию одношарошечного долота с вертикальной цапфой для изготовления долота малого диаметра и провести исследования по определению минимального критического диаметра шарошечного долота. Перечень ссылок 1. Одношарошечное долото. / Харлашкин К.Н., Кононыхин С.В., Манакин А.П. и др.// – А. С. СССР №856 588, Б.И. 1981, №32, с. 148. 2. Харлашкин К.Н. Исследование влияния конструктивных параметров одношарошечных долот на кинематику шарошки / К.Н. Харлашкин, С.В. Кононыхин // Сборник научных трудов "Горные, строительные и дорожные машины" - К.: Изд - во "Техника", 1981. - № 32. - С. 55 - 60. 3.Зубарев А.В. Одношарошечные долота. / А.В. Зубарев, Г.И. Матвеев, Ю.В. Рыжиков // –М.: Недра, 1971,- 176 с. 4. Матвеев Г.И. Пути повышения эффективности одношарошечных долот.// Г.И. Матвеев// – Бурение, вып.12, 1973, с. 11-13. 5. Комисаров А.П. Выбор рациональных параметров породоразрушающего инструмента буровых машин ударного действия. / А.П. Комисаров, Д.В. Быков, Г.В. Прокопович // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 7. С. 22-24. 6. Страбыкин Н. Н. Обоснование, выбор конструктивных и режимных параметров, эффективность применения агрегированного породоразрушающего бурового инструмента / Н. Н. Страбыкин, Е. В. Пеплов // Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 6-15.

199