Динамические явления в массивах горных пород

Наряду со статическими формами проявлений горного давления, в массивах горных пород могут происходить динамические, внезапные разрушения участков массива пород, находящихся в определенных условиях напряженного состояния при больших действующих напряжениях. В естественной обстановке к подобным динамическим явлениям в земной коре относятся землетрясения. При ведении же горных работ таковыми являются

- собственно динамические явления: шелушения горных пород, стреляния, динамическое заколообразование,горные удары, горно-тектонические удары, техногенные землетрясения;

- газодинамические явления: внезапные выбросы полезного ископаемого (угля, соли) и газа или вмещающих горных пород и газа; внезапные высыпания с повышенным газовыделением; внезапные отжимы, сопровождающиеся газовыделением; прорывы газа в горные выработки (обычно из подошвы выработки, пройденной по полезному ископаемому).

С физической точки зрения все динамические проявления представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в том или ином объёме массива.

Как правило, динамическим проявлениям предшествует усиление давления на крепь и целики, а после их реализации увеличивается напряжённость массива пород на смежных участках. В ряде случаев динамическим проявлениям сопутствует вспучивание почвы и выдавливание пород в выработку.

Для газодинамических явлений характерным является выделение значительных количеств газа. Потоком газа, выделяемого при выбросе, порода или полезное ископаемое отбрасывается от забоя, а в массиве впереди забоя возникает полость, заполненная большей частью раздробленным материалом. Продолжительность процесса внезапного выброса составляет обычно от долей до нескольких секунд; в отдельных случаях она может достигать нескольких минут.

Основными газами, выделяемыми при внезапных выбросах, являются метан, углекислый газ и азот. Полости, образуемые впереди забоя в результате внезапного выброса, бывают разнообразной формы, чаще всего удлиненные груше- или кармановидные, но иногда близкие к сферической, разветвленные, сложной и неправильной конфигурации. Как правило, горловина полости бывает значительно более узкой, чем поперечный размер центральной ее части.

Динамические проявления горного давления могут происходить как в выработках, пройденных по полезному ископаемому, так и во вмещающих породах. Разрушению подвергаются вмещающие породы, как кровли, так и почвы. Наблюдаются динамические проявления в краевой части массива полезного ископаемого, а также и в целиках. В ряде случаев они возникают в целиках, расположенных в выработанном пространстве, на том или ином удалении от участков ведения горных работ, иногда даже в целиках ранее отработанных горизонтов.

Для динамических проявлений горного давления предложено несколько классификаций, основанных на различных признаках. Рассмотрим одну из них.

Первая классификация предусматривает подразделение динамических проявлений горного давления по механизму и масштабу на два класса - горные удары локального происхождения и горные удары регионального происхождения.

Горные удары локального происхождения разделяются на микроудары и горные удары, им предшествуют стреляние, динамическое заколообразование и шелушение на контуре выработок и в целиках.

Эти горные удары представляют собой процесс хрупкого разрушения (трещинообразования) в локальной области приконтурного массива пород или в целике.

Причинами их являются высокая концентрация напряжений вследствие действия естественных напряжений в массиве пород, влияния геологических неоднородностей, очистных пространств или сближенных горных выработок, а также динамических напряжений от сейсмической волны взрывов или горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.

Микроудар – мгновенное хрупкое разрушение целика или части массива горных пород с выбросом породы в горные выработки без нарушения технологического процесса. Сопровождается звуком и сотрясением массива с образованием пыли.

Горный удар – мгновенное хрупкое разрушение целика или приконтурной части выработки, проявляющееся в виде выброса руды (породы) в подземные выработки с нарушением крепи, смещением машин, механизмов, оборудования и вызывающее нарушение технологического процесса. Горный удар сопровождается резким звуком, сотрясением массива, образованием пыли и воздушной волной.

Сопутствующими признаками удароопасности являются стреляние, динамическое заколообразование и шелушение пород.

а) Стреляние пород – отскакивание с поверхности обнажения массива пластин пород различных размеров со звуком, напоминающим выстрел.

б) Динамическое заколообразование – явление аналогичное стрелянию пород, но с постепенным прорастанием трещин. Образование и отделение заколов происходит в течение длительного времени после отпала и вслед за оборкой, сопровождаемое треском и звуками, напоминающими выстрел. Это явление чаще всего происходит по ненарушенному массиву и не связано напрямую с трещиноватостью и слоистостью, образующиеся пластины повторяют по форме контур выработки.

в) Шелушение – постепенное разрушение и разделение пород на отдельные пластинки на поверхности обнажения, из-за отслоения пластинок места шелушения всегда выглядят "свежими" (не запыленными).

Горные удары регионального происхождения по вызванным ими разрушениям пород подразделяются на толчки, горно-тектонические удары и техногенные землетрясения.

Горным ударам этого типа предшествует рост сейсмичности массива горных пород (форшоки), а также наблюдается длительное сохранение повышенной сейсмичности района после основного события (афтершоковые серии сейсмических событий). Инициирование может происходить под воздействием массовых взрывов. С физической точки зрения – это либо срыв зацепления по границе блоков и резкая подвижка тектонических блоков друг относительно друга, либо лавинообразное прорастание новой трещины внутри этих блоков.

Причинами этих явлений являются перераспределение напряжений на больших площадях, вследствие выемки и перемещения больших масс горных пород и других длительных техногенных воздействий.

В результате происходит либо вывод из равновесия крупных тектонических блоков, слагающих массив, либо разрушение самих этих блоков при возможности прорастания новой трещины на свободную поверхность очистного пространства или вспарывание барьера между близко расположенными геологическими нарушениями, сближенными очистными пространствами или очистным пространством и геологическим нарушением.

а) Толчок – мгновенное разрушение пород в глубине массива в виде прорастания трещин без выброса пород в горную выработку. При толчке возникает звук и сотрясение массива пород. Возможно образование трещин в бетонной крепи и обрушение заколов на локальном участке контура выработки. Если толчок происходит в процессе действия рабочего органа горной машины, например бара врубовой машины или долота бурового станка, то он ощущается именно как толчок на инструмент.

б) Горно-тектонический удар – мгновенная подвижка пород по тектоническому нарушению или прорастание крупной трещины в массиве, в том числе с образованием систем оперяющих трещин, сейсмическое воздействие от которых вызывает хрупкое разрушение пород на контуре горных выработок в виде горных ударов, вывалов пород, падения заколов, разрушения целиков и крепи на большой площади или на отдельных удаленных друг от друга участках выработок. Горно-тектонический удар может сопровождается сильным сотрясением массива, резким звуком, а иногда образованием пыли и воздушной волны в горных выработках.

в) Техногенное землетрясение – мгновенная подвижка пород по тектоническому нарушению или прорастание крупной трещины в массиве, в том числе с образованием систем оперяющих трещин. Само явление или его сейсмическое воздействие вызывает хрупкое разрушение пород на контуре горных выработок в виде горных ударов, вывалов пород, падения заколов, разрушения целиков и крепи, вспучивания почвы на значительных площадях в подземных горных выработках, а также повреждения и разрушения на земной поверхности. Техногенное землетрясение сопровождается сильным сотрясением массива и поверхности, резким звуком или гулом.

Силу или масштаб внезапного выброса оценивают по поперечным размерам и объёму образуемых полостей, количеству выброшенной породы в тоннах и количеству выделенного газа в кубических метрах. Кроме того, часто устанавливают коэффициент газовыделения п, представляющий собой отношение количества газа N в кубических метрах, выделившегося при выбросе, к количеству раздробленного и выброшенного породного материала Q в тоннах

п = N/ Q

С ростом масштаба выброса коэффициент газовыделения возрастает

В практике для характеристики внезапных выбросов используют также такой показатель как интенсивность внезапного выброса (I) по породе или по газу, т. е. отношение количества выброшенного материала Q или выделившегося газа N к длительности t процесса выброса

I_п = Q / t;

I_г = N / t

По характеру проявления различают концентрированные и рассеянныевнезапные выбросы.

Концентрированные выбросы проявляются в пределах шахтного поля или разрабатываемого пласта в той или иной степени систематично, на более или менее постоянных расстояниях друг от друга по мере проведения выработок. Эти расстояния называют в таком случае шагом выбросов.

Рассеянные выбросы проявляются неравномерно по площади шахтного поля или по простиранию пласта.

Число выбросов на данной шахте или руднике, либо в течение года, либо приходящееся на 1 млн. т добытого полезного ископаемого, либо на 100 000 м³ отработанной площади называют частотой внезапных выбросов.

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

- достаточно прочное и упругое полезное ископаемое;

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

- 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);

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

Среди горнотехнических факторов, подготавливающих динамические проявления горного давления 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.

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.

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

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