Теорії газодинамічних явищ

У 1961 р. В.В. Ходотом на основі обробки і узагальнення великої кількості лабораторних і натурних досліджень була сформульована енергетична теорія викидів. Відповідно з цією теорією для збудження і розвитку раптового викиду вугілля і газу необхідне одночасне порушення трьох рівноважних станів: енергетичного, кінетичного і силового.

Умова порушення енергетичного балансу має наступний вигляд:

(1)

де W—потенційна енергія вугілля; K—кінетична енергія порід; Q—внутрішня енергія вільного газу; F—витрати енергії в вугіллі, які пов’язані з його переміщенням у виробку; V—витрати енергії, які пов’язані з руйнуванням вугілля.

Порушення кінетичного балансу між швидкістю руйнування вугілля (V_p) і швидкістю падіння тиску газу(V _д) у тріщинах вугілля має вигляд

V_p> V _д (2)

До моменту закінчення руйнування вугілля тиск газу повинен перевищувати опір маси її відкидання в сторону виробки

(3)

де р—тиск газу, S—площа поперечного перерізу зруйнованого блоку вугілля, m —маса вугілля, g—прискорення сили тяжіння, α —кут нахилу пласта, f –коефіцієнт тертя вугілля об породу, а —прискорення, яке треба надати вугіллю для його відкидання.

Енергетична теорія В.В.Ходота систематизувала різні уявлення вчених про природу раптових викидів і стала основою для розробки різних методів прогнозу викидонебезпечних ситуацій.

В наступні роки з'явилися нові гіпотези газодинамічних явищ, засновані на більш досконалих фізичних уявленнях і математичних моделях. Академік С.А. Христианович запропонував теорію хвильового дроблення у вугільному шарі, як фактора розв'язання і протікання раптового викиду. В наслідок цього ці уявлення були розвинуті в роботах І.М. Пєтухова і А.М. Линькова і сформульовані як механізм «пошарового відриву».

Причиною раптового викиду за І.М. Пєтуховим і А.М. Линьковим є швидке оголення поверхні у викидонебезпечній зоні вугільного шару. Погіршена фільтрація сприяє збереженню небезпечного газового тиску на деякій відстані від забою. Різке оголення поверхні у викидонебезпечній зоні, що відбувається внаслідок спонтанного місцевого руйнування чи дії інструменту, викликає перепад в газовому тиску, який достатній для того, щоб здійснити відділення частинок від поверхні.

Газ, що розширюється, при цьому рухається в область пониженого тиску (у виробку) і захоплює частинки вугілля, що відірвалися. В наслідок цього виникає нова оголена поверхня і процес відділення і віднесення частинок багаторазово повторюється: фронт дроблення поширюється всередину шару, у виробку - потік газу, що розширюється, і частинки, що відірвалися.

Групою українських вчених (Ф.А. Абрамов, А.Н. Зорін, В.Е. Забігайло і ін.) ступінь викидонебезпечності оцінюється на основі кількісної (розрахункової) оцінки стійкості, яка визначається як відношення несучої здатності масиву до діючого напруженому стану. Це відношення називається коефіцієнтом стійкості і визначається за формулою

(4)

де σ _раз—приведена несуча здатність масиву, σ _пр—приведений несучий стан.