ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Цель: приведение горного массива вокруг выработок в неудароопасное состояние путем разупрочения пород под воздействием электроимпульсного тока.

Проблема предотвращения горных ударов включает региональные и локальные меры борьбы по охране горных выработок при эксплуатации шахт.

К локальным мерам борьбы с горными ударами относятся методы разупрочения в массиве вокруг выработок. Разупрочнение пород производится путем их рыхления камуфлетными взрывами, нагнетанием воды в разных режимах и воздействием электрического тока.

Разупрочнение уменьшает способность породы к накоплению упругой энергии. Ослабленные и разрыхленные породы способны поглощать приток энергии из внешней среды, то есть приводят к ликвидации условий возникновения горного удара. Для реализации метода используется установка большой единичной мощности.

К техническим операциям относятся бурение ряда параллельных скважин вдоль бортов выработки, ввод в них электродов, подвод установки и воздействие импульсным током на локальный участок массива пород при стационарном состоянии электродов.

После воздействия на участок до визуального наблюдения трещин на глубине 0,5-0,7 м от устьев скважин последовательно разупрочняются соседние участки.

На рис. 1 приведена схема технологии разупрочнения. Силовая часть установки представляет генератор с настраиваемой частотой следования импульсов (А.с.
№ 1223696. Устройство для разрушения руды и пород. Опубл. 08.12.85 г.) и может передавать энергию 540 кДж в 1 с, которая электротермически создает трещины в межэлектродном пространстве (от 3 до 5 м) в течение нескольких минут. Установка снабжена источниками пробойного напряжения и разрушающего тока и может использоваться для разупрочнения пород с высокой теплопроводностью и малой электропроводностью, для пород вязких и проводящих.

Можно оценить энергию разрядов в данном объеме приl= 5 м и энергии токаw=500 кДж за каждую секунду. Плотность тока в произвольной единице объема среды выражается законом Ома в дифференциальной форме:

(1)

гдеs[АЧ(м ²) ^-1] - проводимость;r[ОмЧм] - удельное сопротивление; - напряженность электрического поля.

Для однородной породы удельное сопротивление, примерно, одинаково.

На рис. 2, показана напряженность между электродами. Для условий рудников, где все породы проводящие, поле имеет шаровую форму. В направлении углаa= 45 ⁰, рис. 2,б, напряженностьeрезельтирующего поля (приложенная к точкам, лежащим на оси ОУ) будет параллельна оси ОХ. Обозначим расстояние между электродами А и В черезl= 2h₃, м. Напряженность электрического поля в точке 0 равна:

, (2)

где: - напряженность поля, создаваемая отрицательным электродом; - напряженность поля, создаваемая положительным электродом;q[k] - заряд на электроде; - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость;r₃- расстояние от электрода до точки 0.

Напряженность результирующего электрического поля в точке С (приa₁= 45°) будет равна:

= , (3)

Из соотношения: находим . Аналогично определяем результирующую напряженность в точке Д (приa₂= 35°). В плоскости симметрии, проходящей через точку О, имеем круг радиусаr₃. Разобьем данный круг на кольца равного сечения (рис. 2, в) с радиусамиr₁,r₂иr₃. Через эти сечения будут протекать заряды напряженностью Е _о, Е _Д и Е _с. Отношения их имеют вид: Е _о : Е _Д : Е _с = 2,85 : 1,74 : 1.

Для оценки тепла (Джоуля) воспользуемся выражением:

[Дж], (4)

гдеu[В] - напряжение,r[Ом] - сопротивление,t[c] - время; Е - напряженность поля,s[м ²] - сечение.

Тогда энергии, выделяемые в равных цилиндрических объемах, (рис. 2, г) с равными сечениями и высотами можно представить в виде:

(5)

или их числовыми значениями:

(2,8) ² : (1,74) ² : 1 = 320 кДж : 140 кДж : 35 кДж.

То есть, во внешнем цилиндре выделяется энергия 30-35 кДж. Реальный разупрочняемый объем будет иметь форму эллипсоида с диаметром 0,7 [м ²].

Метод можно использовать для разгрузки и профилактической обработки участков горного массива вокруг выработок, так как воздействие током приводит к ослаблению механических свойств пород в зоне их обработки вдоль выработки. Это приводит к смещению зон повышенного давления вглубь массива. Разупрочнение приконтурной зоны пород вдоль горных выработок может служить одной из мер борьбы по их охране при эксплуатации шахт.

Рис. 1. Схема технологии разупрочнения:

1 - электроимпульсная установка; 2 - электроды;
3 - разупрочняемые участки массива пород;
4 - скважины; 5 - горная выработка.

Рис. 2. Физическая картина напряженности между электродами

Оценка воздействия током участка массива пород:

а) - силовые линии напряженности электрического поля;
б) - напряженность результирующего электрического поля в точке;
в) - кольца равного сечения;

г) - объем горного массива, подвергающийся воздействию током.