Трещин горного давления

Модель возникновения и распространения

Здесь рассматривается модель возникновения трещин горного давления в породном массиве при разработке пологих и наклонных угольных пластов и предлагается использовать закономерности трещинообразования для подготовки проектов дегазации, обезвоживания массива, пожаротушения и т.д.

При выяснении причин завалов горных выработок и газодинамических явлений, а также при разработке мероприятий по их предотвращению необходимо учитывать множество факторов, в том числе степень трещиноватости боковых пород.

Чем меньше расстояние между трещинами, тем выше вероятность обрушения горных пород в подготовительных и очистных забоях, тем сильнее деформация стенок и почвы выработки. С ростом плотности трещин (числа трещин на единицу объема породного массива) увеличивается газоносность и обводненность массива.

Трещины бывают природные и искусственного происхождения. Природные трещины – это литогенетические (возникшие при усыхании осадков) и тектонические. Трещины усыхания обычно характерны для глинистых пород – аргиллитов и алевритистых аргиллитов, возникших в континентальных условиях. Такие породы обычно располагаются на контакте с угольным пластом. Маломощные слои аргиллитов образуют ложную кровлю и весьма неустойчивую непосредственную почву угольного пласта. Расстояние между трещинами от 5 до 20 см.

Тектонические трещины возникают в результате тектонических явлений (например, во время землетрясений) и при нарушении гидростатического давления - т.е. когда сила давления на точку внутри массива перестает быть одинаковой во всех направлениях. Это реализуется в местах концентрации напряжений. При гидростатическом давлении тензор напряжений имеет форму сферы, а при негидростатическом - преобразуется в эллипсоид. Тектонические напряжения концентрируются на изгибах слоев пород и на фациальных стыках – где, например, линза прочного песчаника переходит в слабый алевролит или аргиллит.

Степень природной трещиноватости горных пород влияет на прочность горной породы, уменьшая коэффициент крепости. Это влияние учитывается через коэффициент структурного ослабления породы.

Общеизвестно, что при ведении горных работ нарушается природное равновесие в породном массиве. Это означает, что давление вышерасположенных пород становится негидростатическим, и тензор напряжений приобретает форму эллипсоида. В тектонически-ненапряженных зонах и за пределами зоны опорного давления тензор напряжений имеет форму сферы, а по мере приближения к стенке горной выработки сфера преобразуется в эллипсоид с все более вытянутой длинной осью, направленной вертикально.

Эллипсоид тензора напряжений (рисунок 15,а) характеризуется тремя взаимно перпендикулярными осями: длинной осью а, средней осью b икороткой осью c, которымсоответствуют нормальные сжимающие напряжения s₁, s₂ и s₃. Длинная ось (а Ξ s₁) направлена вертикально и соответствует направлению вектора давления веса вышележащей толщи. Средняя ось (b Ξ s₂) лежит в плоскости, параллельной стенке горной выработки, и обычно горизонтальна, а короткая ось(с Ξ s₃) перпендикулярна к плоскости стенки выработки.

Общеизвестно, что в плоскости Р₁, где расположены оси а и b ( напряжения s₁, s₂) возникает трещина отрывного типа с неровными стенками, с раскрытой полостью (рисунок 15,б). Необходимым условием для образования такой трещины является большая разница между величинами s₁ и s₃: (s₁>> s₃). Данное условие реализуется вблизи линии очистного забоя, на расстоянии 2-3 м вглубь массива. Плоскость трещины, в общем случае, параллельна груди забоя лавы.

а) б) P₃ с)

s₁ p P₁ s₁ P₂

s₃ P₃

s₃

s₂ s₂

(s₁>> s₃) (s₁>s₂ >s₃ ) Рисунок 15 – Образование трещин в горных породах: а – эллипсоид тензора напряжений, б) – главные нормальные напряжения и образование трещины отрыва в плоскости Р₁ , с) образование трещин скола в плоскостях Р₂ и Р₃.

Очевидно, что изменение формы поверхности стенок и забоя горной выработки, а также сопряжения двух разнонаправленных выработок (например, забоя лавы и вентиляционного штрека) приводит к развороту эллипсоида тензора напряжений следующим образом: вектор минимального напряжения s₃ становится перпендикулярным к поверхности стенок выработки, наклоняясь к горизонту. И поэтому вектор максимального напряжения s₁ также разворачивается, и перестает быть вертикальным. И как следствие, в лаве крупные трещины горного давления, объединяющие множество микротрещин горного давления, представляют собой криволинейную поверхность. Такая крупная трещина горного давления в непосредственной кровле наклонена в сторону забоя под углом 45° на сопряжениях лавы со штреками, а к середине лавы угол падения трещины постепенно возрастает до 80°-85° (рисунок 16).

В двух взаимно перпендикулярных плоскостях Р₂ и Р₃, включающих ось b, и расположенных под углом 45° к длинной оси а находятся 2 касательных напряжения t ₁и t ₂. Эти напряжения перпендикулярны к нормальному напряжению s₂ (к оси b).Под их действиемвозникают 2 трещины скола, совпадающие с наклонными плоскостями Р₂ и Р₃ (рисунок 16).

Поведение горных пород на контакте с пустотой горной выработки зависит от их прочности. Точнее от соотношения коэффициента крепости породы и напряженности массива в рассматриваемой точке. Напряженность массива вблизи полости горной выработки, в свою очередь, определяется глубиной расположения горной выработки. С увеличением глубины разработки растет величина s₁:

s₁ = gH, где g - объемный вес горных пород, H – глубина разработки,

Данная формула не учитывает влияние повышенного горного давления вблизи очистного забоя, под и над оставленными угольными целиками. С учетом коэффициента концентрации (k) давления в таких зонах формула примет вид:

Рисунок 16 – Криволинейная поверхность трещины горного давления вдоль забоя лавы. Стрелками показаны направления падения поверхности трещины.

s₁ = kgH,

Поскольку s₃ на контакте с пустотой горной выработки стремится к нулю (s₃ ® 0), то возможность возникновения трещины отрыва в данной горной породе зависит от соотношения глубины разработки и прочности породы:

P _(т) = Н / f, где

P _(т) - вероятность возникновения трещины отрыва в горной породе,

f - коэффициент крепости горной породы.

И с увеличением коэффициента концентрации (k) горного давления вероятность появления трещины также растет.

P _(т) = (kН) / f,

Влияние последнего весьма значительно, и поэтому трещины отрыва в первую очередь образуются в центральной части лавы и под труднообрушаемой кровлей, перед ее посадкой.

Роль прочности породы выражается в том, что плотность трещин горного давления растет по мере уменьшения коэффициента крепости породы. То есть, по сравнению с более прочными алевролитами и песчаниками, в аргиллитах трещины горного давления появляются быстрее и расстояние между ними меньше.

Знание особенностей трещинообразования позволяет нам создать модель распространения трещин горного давления на угольных шахтах она представляется следующей:

1. Вблизи стенок подготовительной горной выработки, где s₃ ® 0 и коэффициент концентрации горного давления минимален: k ® 1, в слабых породах (аргиллитах и алевролитах) возникают трещины горного давления отрывного типа, с неровными стенками, с раскрытой полостью. Трещины вертикальны или наклонены от кровли выработки в сторону массива под углом 75°-85°. Простирание трещин вдоль оси выработки, первая трещина располагается в 1-1.5 метрах от стенок выработки. Ширина трещиноватой зоны около 2 м.

2. Впереди линии очистного забоя, на расстоянии 2-3 м, где s₃ ® 0 и коэффициент концентрации горного давления максимален перед посадкой труднообрушаемой основной кровли: k >> 1, возникают трещины горного давления отрывного типа в прочных алевролитах и песчаниках. Трещины простираются вдоль забоя лавы. Ширина трещиноватой зоны около 2 – 3 м.

3. Впереди линии очистного забоя, с опережением на 20-30 м, где s₁> s₂ >s₃ и коэффициент концентрации горного давления k > 1, образуются трещины горного давления сколового типа двух систем в слабых аргиллитах (возможно и внутри угольного пласта). Трещины простираются вдоль забоя лавы и в первой системе наклонены под углом 45° в сторону подвигания забоя, а во второй под углом 45° – в обратном направлении. Ширина трещиноватой зоны до 30 м.

Следовательно, за счет энергии горного давления при подземной разработке породный массив разрушается вполне закономерным образом. Зная эти закономерности можно воздействовать на газодинамические явления – например, выполнять оптимальную дегазацию. А также, на обводненность лавы через оптимизацию осушения массива. Кроме того, закономерности распространения трещин горного давления можно использовать при тушении подземных пожаров. Для этого необходимо учитывать закономерности трещинообразования при разработке технологических схем дегазации, осушения, пожаротушения и т.д.

вентиляционный штрек

забой лавы

трещины скола

85⁰

трещина 45⁰

отрыва

конвейерный штрек

25-30 м

Непосредственная кровля

Тензор напряжения

Рисунок 17 – Возникновение трещин горного давления впереди линии очистного забоя, в момент увеличения горного давления перед посадкой основной кровли. Тензор напряжения в непосредственной кровле представляет собой эллипсоид у забоя, и близок по форме к сфере на расстоянии 25-30 м впереди забоя лавы.