Механизм горных ударов и выбросов пород

Формирование горного давления

Управление горным давлением

Горный массив можно рассматривать как полупространство, ограни­ченное горизонтальной плоскостью (земная поверхность), пребывающее под действием собственного веса в упругом напряженном состоянии. То­гда вертикальное напряжение определится весом столба породы объемом, где - высота столба породы, соответствующая глуби­не заложения рассматриваемой площадки массива. Учитывая, что, где - объемный вес вышележащих пород, получим

(9.1)

Горизонтальные напряжения для однородного массива

(9.2)

Коэффициент горизонтального распора для упругих скальных по­род в соответствии с законом Гука определяется коэффициентом Пуассона.

В реальных условиях такое линейное распределение напряжений с глубиной нарушается неоднородностью строения массива, тектонически­ми напряжениями, давлением воды и газов. Сглаживающим фактором яв­ляется релаксация напряжений, нивелирующая их уровень в различных частях массива.

После проведения горной выработки на ее контуре концентрируются напряжения (рис.9.1). Распределение этих напряжений в некоторой облас­ти вокруг выработки называется горным давлением. Обычно вертикальные напряжения превышают горизонтальные, тогда в кровле и почве выработ­ки концентрируются растягивающие напряжения, которые по мере удаления от контура выработки уменьшаются и переходят в сжимающие, достигая величины. На стенках выработки концентрируются сжи­мающие напряжения. Коэффициент концентрации напряжений К определяется многими факторами: шириной и формой сечения выработок, их взаимным расположением, характером неровности контура выработки и др. Все множество этих факторов нельзя учесть в единой модели реального массива, и потому коэффициент концентрации напряжений определя­ется опытным путем.

Рис. 9.1. Напряжения на контуре горкой выработки

В общем случае выработка будет устойчивой, если действующие на­пряжения на ее контуре не превышают прочности массива. Для горизон­тальных напряжений это условие запишется в виде

(9.3)

где - коэффициент структурного ослабления,

-. прочность пород на растяжение и сжатие. Для вертикальных напряжений

(9.4)

Если условия устойчивости не выполняются, то горная порода внутри некоторой области вокруг выработки разрушается и частично или полно­стью теряет свою несущую способность. При этом напряжения на контуре выработки уменьшаются (в случае полного разрушения пород - до нуля) и образуется зона пониженных напряжений (1) - зона неупругих деформаций (рис.9.2). Следует отметить, что напряжения на контуре выработки со вре­менем уменьшаются и при отсутствии разрушения за счет упругого де­формирования массива в сторону выработанного пространства и явлений ползучести. После образования зоны неупругих деформаций пик напряже­ний перемещается вглубь массива, образуя зону опорного давления (2) -зону повышенных напряжений. С увеличением расстояния от выработки напряжения уменьшаются и становятся равными напряжениям нетронуто­го массива (3).

Рис.9.2. Распределение напряжений вокруг горной выработки

Разрушение пород вокруг горной выработки происходит с образова­нием свода естественного равновесия. Вес разрушенных пород в этом сво­де формирует нагрузку на крепь выработки. Размер свода естественного равновесия определяется следующими факторами: прочностными и де­формационными свойствами пород, условиями залегания и структурой массива, глубиной залегания, размерами и формой выработки, типом кре­пи.

Горный удар - это явление хрупкого взрывоподобного разрушения предельно напряженного участка массива, сопровождающееся выбросом в выработку разрушенных пород и воздушной волной. Характерные призна­ки удара - резкий звук, сильное сотрясение массива и образование пыли. Горные удары являются наиболее опасными проявлениями горного давле­ния, связанными с гибелью людей, разрушением оборудования и крепи.

До настоящего времени единой теории горных ударов не создано, однако основные закономерности данного явления достаточно хорошо изучены. Качественно механизм горных ударов можно представить сле­дующим образом. В зоне опорного давления вокруг выработки (рис.9.3 - эпюра 1) горные породы находятся в условиях объемного сжатия.

Рис. 9.3. Перераспределение напряжений при горном ударе

При продвигании выработки на расстояние образуется свободная по­верхность - забой выработки. Здесь состояние объемного сжатия пород трансформируется в двух- или одноосное напряженное состояние. В част­ности, при смещении пород в сторону выработки возникают растягиваю­щие напряжения. Поскольку прочность при растяжении на несколько по­рядков ниже прочности пород в объемном сжатии, возможен отрыв и вы­брос призабойной части массива в выработку - горный удар. В результате этого происходит перераспределение напряжений (эпюра 2). Область ABC, заштрихованная на рис.9.3, соответствует освобождающейся потенциальной энергии сжатых пород.

На вновь образованной поверхности возникают те же явления и по­следующий объем массива вовлекается в процесс. Таким образом, горный удар происходит не мгновенно, а поэтапно. Процесс может прекратиться по двум причинам - либо за счет разгрузки массива и уменьшения напря­жений до величины ниже предельной для данной породы, либо за счет за­клинивания разрушенной породы в выработке и образования подпорной стенки. В последнем случае горная порода вновь переходит в состояние объемного сжатия. Рассмотренный механизм подтверждается тем фактом, что, как правило, горный удар происходит сразу после взрывания пород в забое выработки, т.е. вслед за образованием обнаженной поверхности.

В сущности, горный удар есть мгновенное освобождение накоплен­ной в массиве упругой энергии. Поэтому в качестве критерия удароопасности обычно используется уравнение энергетического баланса

(9.5)

Смысл этого неравенства состоит в том, что горный удар происходит тогда, когда накопленная в разрушаемом объеме упругая энергия и энергия, поступающая из вмещающих пород, превосходят работу по разрушению и перемещению горной породы. Слагаемое харак­теризует ту часть энергии, которая поглощается окружающим массивом, а - которая уходит из зоны удара в виде сейсмических колебаний. Сумма + редко превышает 10 % от общей энергии и обычно не учитыва­ется.

Накопленная массивом упругая энергия определится известным вы­ражением

(9.6)

где - действующее в приконтурном массиве напряжение; - модуль уп­ругости пород; - разрушаемый в процессе горного удара объем пород.

В момент горного удара окружающий очаг разрушения нетронутый массив деформируется в сторону образовавшейся полости на величину. При этом напряжения в нем снижаются на величину. Совершаемая при этом работа силы переходит в энергию удара. Учитывая, что, получим

(9.7)

где - приращение площади выработки в результате разрушения пород.

Если принять, что разрушение пород происходит за счет растяги­вающих напряжений, то совершаемая при этом работа

(9.8)

где - прочность горных пород при растяжении.

Кинетическая энергия разлета кусков разрушенной породы

(9.10)

где - масса и плотность кусков породы; - скорость их разлета.

При разработке угольных месторождений большую опасность пред­ставляют внезапные выбросы угля и газа. Это быстрое разрушение и из­мельчение угля, сопровождающееся его выбрасыванием в выработку с од­новременным выделением газа (метана). В отличие от горных ударов, здесь большую роль играет давление газов в пласте угля. Для возбуждения и развития внезапного выброса необходимы следующие условия:

(9.11)

(9.12)

В выражении (9.11), в отличие от уравнения (9.5) энергетического ба­ланса для горных ударов, появляется новое слагаемое, характеризую­щее внутреннюю энергию газа, заключенного в объеме пор и находящего­ся в свободном (несвязанном) состоянии. Уравнение (9.12) показывает, что внезапный выброс угля возможен только тогда, когда скорость разру­шения (развития трещин) превышает скорость падения давления газа в пласте угля.