Условия возникновения динамических проявлений горного давления и представления об их механизме.

Динамические и газодинамические проявления горного давления происходят при определенных сочетаниях естественных геологических и горнотехнических условий. Эти сочетания крайне разнообразны и связаны с влиянием многих факторов, которыми определяется не только само возникновение этих явлений, но также их сила и характер проявления.

К наиболее существенным геологическим факторам, обусловливающим возможность динамических проявлений горного давления, относятся:

n достаточно прочное и упругое полезное ископаемое;

n залегание в кровле и почве полезного ископаемого мощных прочных слоев пород;

n достаточно большая относительная глубина горных работ (при этом критическая глубина неодинакова для полезного ископаемого и окружающих пород разной прочности, что следует из приведенных выше примеров);

n сильная тектоническая нарушенность месторождения или участка и ведение горных работ вблизи дизъюнктивных нарушений и замков складок.

Для газодинамических явлений к перечисленным факторам добавляется фактор наличия газа в пределах пластов или рудных тел. При этом отмечается, что внезапные выбросы с участием углекислого газа, как правило, превосходят по силе выбросы с участием метана. В то же время между давлением газа в пласте или слое породы и его опасностью по внезапным выбросам нет непосредственной связи. Так, угольные пласты с давлением газа 25—30 кгс/см² не давали внезапных выбросов, тогда как на пластах с давлением газа 2—3 кгс/см² выбросы происходили.

Среди горнотехнических факторов, подготавливающих динамические проявления горного давления, т. е. создающих условия для их возникновения, наиболее существенны:

* - ведение горных работ с оставлением целиков полезного ископаемого;

* - изрезанность отрабатываемого участка большим числом подготовительных и нарезных выработок;

* ведение работ под целиками, оставленными на смежных пластах или жилах;

* применение камерно-столбовых систем разработки;

* ведение горных работ догоняющими и встречными забоями;

* выемка сильно напряженных целиков;

* дополнительные технологические воздействия на участки массива при ведении добычных и взрывных работ. Особенно это характерно для газодинамических явлений, поскольку в подавляющем большинстве случаев развитие внезапных выбросов связано с непосредственным механическим воздействием на полезное ископаемое или породу: производством взрывных работ, воздействием на забой добычного механизма или инструмента. При этом с увеличением степени воздействия опасность выброса возрастает.

Очагами динамических проявлений горного давления являются участки повышенной концентрации потенциальной энергии упругого сжатия массива горных пород (целики полезного ископаемого и вмещающих пород, в особенности выступающие в очистное пространство; стенки подготовительных выработок и т. п.), находящиеся в условиях предельного напряженного состояния.

Именно предельное напряженное состояние, создающееся в отдельных участках массива и обусловленное действием гравитационных и тектонических сил, а в некоторых случаях и дополнительным влиянием давления напорных вод и газов, является основной причиной динамических явлений.

Существенную роль в развязывании процесса разрушения пород играют импульсные нагрузки, которые могут возникать в предельно напряженном участке массива вследствие разнообразных причин - упругой волны при взрывах, внедрения в полезное ископаемое рабочего органа добычной машины, крупного мгновенного разлома в слое зависшей кровли, мгновенного усиления неравномерности напряженного состояния призабойной части массива при приближении забоя к дизъюнктивному нарушению или к замку складки и т. д. Возникающие импульсные нагрузки приводят к цепной реакции мгновенного хрупкого разрушения участка массива, находившегося в предельном напряженном состоянии, и к переходу накопленной потенциальной энергии в работу разрушения, дробления, смещения части массива.

К настоящему времени всесторонне разработанная теория динамических и газодинамических проявлений горного давления пока отсутствует.

Достаточно детально известно лишь, какие факторы и условия приводят к возникновению динамических форм проявления горного давления. В то же время о механизме последних, т. е. о том, что же происходит с полезным ископаемым и вмещающими породами в момент разрушения, какие именно физические процессы приводят к критическому состоянию и протекают за короткий период его развития разрушений, имеющиеся знания малы и не выходят пока за рамки предварительных гипотез.

В частности, на причины разрушения пород при динамических проявлениях горного давления высказываются разные точки зрения.

Одна из них сводится к тому, что динамические проявления, в частности, горный удар происходит в результате спонтанного развития деформаций пород с разрывом сплошности в направлении, нормальном к направлению приложения нагрузок.

Другая состоит в том, что разрушение при горном ударе происходит под действием касательных напряжений, обусловливаемых неравномерностью напряженного состояния в краевых частях массива.

Профессор И. М. Петухов сформулировал следующие два принципиальных положения относительно механизма горных ударов:

а) горный удар является следствием нарушения равновесия всей системы “блок породы—полезное ископаемое”;

б) горный удар возможен в том случае, если скорость деформации, обусловленная нарастанием удельного давления, превысит максимально возможную скорость пластического деформирования для данной части массива, находящейся в предельно напряженном состоянии.

Последнее положение является наиболее существенным, основным условием возникновения горного удара. На основе этого положения становятся ясными причины горных ударов в массивах, сложенных слабыми и весьма обводненными горными породами.

В настоящее время это положение получило дополнительное развитие. Сейчас уже говорят не только о скорости пластических деформаций, но в более общей постановке о способности пород рассеивать накапливаемую энергию конкретным участком массива пород. В свою очередь, способность пород рассеивать энергию приближённо может быть оценена отношением модуля спада полной диаграммы деформирования к модулю упругости, т.е.

x= М / Е.(11.4)

Экспериментально установлено, что если x>1, то породы являются удароопасными.

При исследовании проблем возникновения и механизма развития динамических форм проявлений горного давления большое внимание уделялось выделению зон массива, где наиболее вероятно их возникновение.

В частности, с этой точки зрения профессор С. Г. Авершин, рассматривает состояние краевой части массива, где во время горного удара происходит хрупкое разрушение пород в результате возникающих разрывных деформаций.

Механизм возникновения горного удара по С. Г. Авершину представляется следующим образом:

Горные породы в нетронутом массиве, т. е. до проведения выработки, имеют некоторый запас потенциальной упругой энергии, который сохраняется до тех пор, пока при проведении выработки не возникнут возможности ее преобразования в работу деформирования. При достаточно медленном, постепенном, изменении соотношений между внешними и внутренними силами поддерживается динамическое равновесие, так как успевают реализоваться пластические деформации напряженного участка массива.

Вместе с тем в сильно напряженных участках массива, особенно при напряжениях, приближающихся к предельным, вследствие существенной неоднородности пород (более упругие частицы породы в сравнении с менее упругими оказываются более напряженными) начинают развиваться локальные разрушения, даже в условиях всестороннего сжатия. Такие разрушения, происходящие при увеличении нагрузки на породы, вызывают трески и шумы в напряженном участке массива.

Особенно это характерно для краевых частей массива, где напряженное состояние обусловливается воздействием опорного давления. Исходя из особенностей напряженного состояния краевой части массива С. Г. Авершин выделяет в целике между очистным забоем и подготовительной выработкой некоторую зону, в пределах которой точки массива смещаются в противоположные стороны (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Влияние приближающегося очистного забоя на деформации целика возле подготовительной выработки (по С. Г. Авершину).

1 - эпюра смещений в целике, направленных в сторону очистного забоя, 2 - эпюра смещений, направленных в сторону подготовительной выработки; 3 - очистная выработка; 4 - подготовительная выработка. АБ - зона деформаций растяжения - область вероятных разрывов в целике.

В пределах этой зоны возможно возникновение трещин разрыва. В случае образования трещины ее поверхность мгновенно оказывается в состоянии, свободном от напряжений, в породе же (или полезном ископаемом) вблизи трещины в ничтожно малый отрезок времени создаются очень большие напряжения. Такой мгновенный перепад напряжений в определенных условиях критического состояния массива может явиться началом прогрессирующего разрушения перенапряженного участка массива, при этом область концентрации напряжений перемещается на другие участки массива.

И. М. Петухов, рассматривая схему состояния краевой части массива, выделяет дополнительно несколько зон с плавными переходами от одной из них к другой (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Схема состояния краевой части массива (по И. М. Петухову):

А - призабойная зона нарушенных пород с разрывом сплошности, Би Г - зоны преобладающих упругих деформаций, В - зона преобладающих пластических деформаций.

В глубине массива образуется ядро пород, находящихся в пластическом (или псевдопластическом) состоянии (зона В). Породы в этой зоне обладают высоким внутренним давлением, которое уравновешивается сопротивлением пород зон Би Г. При этом периферийная часть массива в пределах зоны Б оказывает сопротивление внутреннему давлению за счет трения по контактам с боковыми породами и защемления полезного ископаемого боковыми породами. Если внутреннее давление в зоне В превышает сопротивление периферийной зоны Б, происходит подвижка пород зон А и Б в сторону выработанного пространства до тех пор, пока вновь не установится равновесие.

Такие подвижки могут происходить многократно. Причем если хрупкое разрушение будет испытывать лишь незначительная часть зоны В, то возникнут только многократные толчки, без разрушения всей сильно напряженной части массива. Если же внутренние выталкивающие силы в зоне В окажутся достаточно большими, чтобы сообщить породам в зонах А и Б непрерывное движение в сторону выработанного пространства, то возникнет лавинообразный процесс разрушения пород в зоне В, т. е. горный удар.

В районах, где происходят геотектонические процессы, разработка месторождений полезных ископаемых приводит к изменению естественного гравитационно-тектонического поля напряжений и формированию нового поля напряжений. Здесь напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок нередко больше зависит от усилий, действующих в горизонтальном направлении (т.е. от тектонической составляющей), чем в вертикальном (от гравитационной составляющей).

Это наблюдается, в частности, на месторождениях Кольского полуострова и в Горной Шории. Внезапное высвобождение потенциальной энергии упругого сжатия, накопленной под совместным воздействием геологических и горнотехнических факторов, приводит к мгновенным хрупким разрушениям участков массива в местах концентрации напряжений.

Большое влияние на условия возникновения горных ударов оказывает скорость подвигания очистных забоев. С увеличением скорости подвигания забоев повышается интенсивность нагружения массива в зоне опорного давления, возрастает доля упругой деформации и создаются условия для внезапного хрупкого разрушения массива.

Считается, что потенциально опасным является находящийся под нагрузкой пласт в том случае, когда доля упругих деформаций достигает 70% от суммарных деформаций, возникающих при разрушении. При остановке забоя или очень медленном его подвигании происходит уплотнение массива, повышение его жесткости и хрупкости, что также способствует возникновению горного удара. Скорость подвигания очистного забоя С₂ будет допустимой при соблюдении следующего условия:

С₁>С₂>С₃,(11.5)

где C₁ - скорость распространения релаксации в призабойной зоне в направлении продвижения фронта горных работ; С_з - скорость нарастания в массиве упругой деформации в том же направлении.

Часто после горного удара между углем и кровлей пласта создается щель протяженностью в глубину до нескольких метров и высотой от нескольких сантиметров до 0,2 - 0,5 м. Образование щели профессор И. М. Петухов объясняет тем, что при мгновенном упругом смещении боковых пород разрушающийся угольный пласт вследствие инерции сдавливается больше, чем фактически сближаются боковые породы. Такое предположение вполне вероятно вследствие различия деформационных и плотностных свойств угля и вмещающих пород.

При динамических проявлениях горного давления в угольных пластах на процесс интенсификации разрушения угля существенное влияние оказывают также колебания вмещающих пород.

Длительность процессов хрупкого разрушения при подобных явлениях составляет от сотых долей секунды до 2 - 3 с. Она тем больше, чем сильнее динамическое проявление.

Сейсмическая энергия единичного динамического проявления составляет от нескольких джоулей при стрелянии горных пород до 10⁶ Дж и более при очень сильных, катастрофических ударах. Соответственно различен частотный спектр сейсмических колебаний, возникающих при динамических проявлениях горного давления. Максимум частотного спектра при микроударах лежит в диапазоне 500 - 800 Гц, при средних ударах - около 10 Гц, а при сильных - составляет 1 - 3 Гц.

Относительно причин и вероятного механизма внезапных выбросов также высказывались различные точки зрения.

Крайние из них состоят в том, что одни исследователи приписывают главенствующую роль газовому фактору (давлению газов, заключенных в порах выбросоопасных пород), другие – напряжённому состоянию.

В результате обобщения обширных наблюдений за внезапными выбросами в различных горно-геологических условиях, а также проведения экспериментальных и теоретических исследований профессор В. В. Ходот выдвинул, обосновал и развил энергетическую теорию внезапных выбросов, получившую широкое признание специалистов.

Согласно этой теории внезапный выброс является следствием скачкообразного изменения напряженного состояния участка массива полезного ископаемого или вмещающей горной породы. Такое изменение может произойти в результате действия различных факторов:

- взрывной отбойки,

- сотрясательного взрывания,

- механического внедрения в массив рабочего органа,

- подхода выработки к тектоническому нарушению,

- вскрытия забоем выработки пласта или слоя, резко отличного по своим деформационным и прочностным характеристикам,

- динамической нагрузки в призабойной части массива в связи с обрушением зависших горных пород и пр.

Выброс начинается с частичного разрушения и растрескивания участка массива. Поскольку полезное ископаемое или порода насыщены газом, находящимся под давлением, из трещин, развивающихся при частичном разрушении, происходит быстрое выделение газа. Устремляясь в сторону пониженного давления и расширяясь, газ увеличивает разрушение участка массива и развитие трещин. В свою очередь, этот процесс способствует десорбции газа из макро- и микропор.

По В. В. Ходоту, в процессе внезапного выброса угля (пород) и газа может быть выделено три фазы развития:

а) начальное разрушение угля в призабойной зоне при внедрении горной выработки в неоднородный по прочностным свойствам пласт, при внезапном вскрытии пласта или при входе в зону геологического нарушения.

Это начальное разрушение является следствием внезапного увеличения градиента напряжений.

б) увеличение площади приложения давления газа на разрушающийся уголь (выход газа из микропор в трещины и пустоты расслоения) и начальный отброс угля;

в) усиление десорбции газа в процессе дробления угля, расширение газа и вынос измельченного угля в выработку в потоке газа.