9. Управление состоянием массива горных пород

ющие из формулировки коэффициента фильтрации (см. раздел 1.6).

Так, в процессе фильтрации может произойти постепенное заиливание водоподводящих трещин и каналов к скважине и умень­ шение водопритоков в осушающую скважину.

Для восстановления водопритока применяют методы, увели­ чивающие проницаемость массива пород, — торпедирование, простреливапие, гидравлический разрыв пласта, соляно-кислотную обработку скважин и т. д. Торпедирование заключается во взры­ вании специальных зарядов взрывчатых веществ (торпед), в ре­ зультате чего вокруг скважины образуется зона с повышенным коэффициентом фильтрации.

С о л я и о - к и с л о т н а я о б р а б о т к а скважин про­ изводится в карбонатных породах. Кислота, залитая в сква­ жину, вступает в реакцию с породами, что способствует разглинизации стенок, расширению водонодводящих трещин, образо­

пературой.

При температуре воздуха минус 25° С примерно через месяц грунт промерзает до глубины 1,5 AF- В то же время механические лопаты с ковшом емкостью 0,5—1 м3 могут разрабатывать без предварительного рыхления лишь слой мерзлого грунта мощ­

пород; 2) оттаивание пород; 3) рыхление смерзшихся пород. Применение того или иного мероприятия зависит от свойств

пород, производительности карьера и применяемых механиз­ мов, характера добываемого полезного ископаемого и климати­

ления используют соответствующие гориотехнологические пара­ метры пород. Так, глубину рыхления определяют с учетом удель­ ного сопротивления к породы рыхлению {к = 2- 104-f-4-10* Н/м2).

При ослаблении мерзлых пород н е м е х а н и ч е с к и м и методами используют явления поглощения электрической энер­ гии породой, электропроводности влажной породы, теплопередачи и соответствующие тепловые и электрические свойства пород.

В случае п о в е р х н о с т н о г о ] н а г р е в а применимы закономерности распространения тепла в полубесконечном твер­ дом теле (см. раздел 8).

Разогрев пород с поверхности при большой глубине нагрева длителен, мало производителен и дорог.

Так, для оттаивания почвы до глубины 45 см требуется не­ прерывно поддерживать температуру 800° С на поверхности по­

их концы находились в талой породе. При подключении напряже­ ния образуется замкнутая электрическая цепь в талой породе, так как электропроводность талой породы во много раз выше, чем мерзлой (рис. 9.2).

Слой, по которому протекает ток, нагревается и передает тепло вышележащему слою, который после оттаивания сам на­ чинает проводить ток. Постепенно процесс оттаивания достигает

а — токами низкой частоты; б — токами высокой частоты: 1— электроды; 2 — генератор тока; з — оттаиваемый слой; 4 — талая порода

восновном поглощается льдом. Действительно, при температуре

То = —15° С фактор потерь ел tg 6Л льда составляет 2,4, а е tg б кварцевого песка около 0,05.

Общее количество тепла QXl необходимое для таяния льда, объем которого в породе Ул, составляет

Поскольку тепло выделяется непосредственно в плавящемся объеме вещества, то теплопроводность играет только отрицатель­ ную роль, из-тза теплоцроводности происходит отвод тепла от пла­ вящегося объема и непроизводительный нагрев остальной части породы.

Так как нагрев породы происходит от исходной температуры Т0 до температуры плавления льда Тпл, можно записать с поправкой

на нагреваемый дополнительный объем (в случае отсутствия выделения в нем тепла)

где cVn — объемная теплоемкость мерзлой породы; Ул — отно­ сительный объем льда.

В-10 .Дж/см3

Рис. 0.3. Зависимость критерия в (эффективности плавления компо­ ненты породы) от относительного объемного содержания компоненты V при электрических параметрах плавящегося (пл) и неплавяще-

гося (н) компонент:

3 ~ вп л ^ 6 пл = t ui g 6 u

Фактор В (критерий эффективности нагрева) в случаях, по­ добных описанному, может быть представлен следующим обра­ зом:

Зависимость параметра В от объемного содержания плавя­ щегося компонента при различном соотношении свойств компо­ нент представлена па рис. 9.3.

Один из способов т е р м и ч е с к о г о о с л а б л е н и я мерзлых грунтов заключается в разбуривании мерзлого слоя пород термобуром. При этом создается определенная сетка шпу­ ров, которые значительно ослабляют мерзлую корку и позволяют осуществить ее окончательное разрушение непосредственно экска­ ваторами.

Ослаблению подвергают не только мерзлые грунты, но и скаль­ ные и иолускальные горные породы. При этом используют увлаж­ нение пород и другие физические воздействия.

Как известно (см. раздел 6.1), влажные породы обладают меньшей прочностью. На этом свойстве основаны методы ослабле­ ния угля н а г н е т а н и е м в п л а с т в о д ы под давлением через шпуры или скважины. Вода, распространяясь по плоско­ стям напластования и трещинам, раздвигает их, создает допол­ нительную трещиноватость и снижает прочность угля на 30— 40%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить производитель­ ность очистных комбайнов, выход крупных фракций угля и на 60—85% снизить запыленность рудничной атмосферы.

Влияние воды увеличивается при растворении в ней адсор­ бирующихся поверхностно-активных веществ (понизителей твер­ дости), увеличивающих подвижность воды. Этот метод, основан на распространении флюидов в породах, и поэтому расчет его производят с учетом коэффициента фильтрации и влажности горных пород.

Скальные породы можно предварительно ослаблять воздей­ ствием высокочастотного электрического поля, инфракрасными излучателями и т. д. (см. разделы 8.4—8.9).

Ослабления массива можно достичь также пропусканием через породу постоянного электрического тока; явление электро­ лиза приводит к росту дефектов в породе, увеличению ее пори­ стости и снижению прочности. Эффективность ослабления пород этими методами существенно зависит от состояния массива горных пород, крупности породообразующих минералов (чем меньше зерна минералов, тем большая требуется скорость нагрева) и ком­ плекса электрических, тепловых, упругих и прочностных свойств пород.

9.3. Упрочнение пород

Борьбу с проявлениями горного давления ведут не только путем крепления горных выработок, но' и непосредственно упроч­ нением пород, окружающих выработки. При этом используют физические явления уплотнения пород в результате тампонажа, искусственного замораживания, химического и электрохимиче­ ского закрепления, электроплавления, а также воздействия энергией взрыва. Тампонаж пород состоит в нагнетании через скважины в закрепляемый массив под давлением тампонажного раствора, способного вытеснить из трещин и пустот воду, запол­ нить их и затвердеть; по типу .используемых растворов тампо­

где h — высота ограждения; одл — длительный предел прочности замороженной породы при одноосном сжатии за расчетный пе­ риод.

Учет времени в расчетах на прочность мерзлых пород осо­ бенно важен, так как они обладают ярко выраженными реоло­ гическими свойствами. Так, при температуре —20° С предел проч­

необходимо рассчитать время циркуляции хладагента, которое

вступают в реакцию между собой, в результате которой выде­ ляется гидрогель кремневой кислоты и происходит закрепление породы. Получившаяся прочная масса не растворяется в воде.

совые породы достаточно нагнетать только жидкое стекло, так как лёсс содержит сернокислые соли, которые заменяют раствор хлористого кальция.

Для химического закрепления применяют также другие рас­ творы (карбамидную смолу, менозоль и др.).

Э л е к т р о х и м и ч е с к о е з а к р е п л е н и е осущест­ вляют путем пропускания постоянного электрического тока через влажные породы. В результате реакции калий и натрий замеща­ ются водородом, алюминием или железом, и в породе образуются гидраты окиси металлов (например, боксит).

При использовании электроплавления плывунов в Подмосковном угольном бассейне была получена толщина сплавленной корки 60—70 см. Расход электроэнергии составил 8600 кВт-ч на 1 м3

связных пород — лёссах, глинах и суглинках. Специальные заряды ВВ располагают в скважине на всю ее длину. Взрыв происходит без выброса породы. При взрыве образуется выемка, диаметр которой в 20 раз больше диаметра скважины. Стенки выемки уплотняются настолько, что она может оставаться без крепления длительное время.

9.4. Поддержание подземных выработок

Как известно, горное давление (см', раздел 6.2) в массивах горных пород обусловлено в первую очередь собственным весом пород (гравитационными силами) и тектоническими напряже­ ниями.

Вертикальные напряжения сг2, вызванные действием г р а ­

Горизонтальные напряжения ох и оу, вызванные горизонталь­ ными составляющими гравитационного поля, рассчитывают, ис­ пользуя уравнения теории упругости:

кб. Он находится в пределах 0,2—0,9. Так, для глин Подмосков­ ного бассейна кб составляет 0,7—0,98, для глинистых сланцев

состояние пород, образуется новое поле напряжений, характер которого зависит от глубины заложения выработки, ее формы и размеров, состояния и свойств массива пород. Для расчета нового поля напряжений используют различные гипотезы гор­ ного давления, основанные на разных предпосылках о состоянии массива пород. В одних гипотезах считают, что массив пород представляет собой дезинтегрированную среду или только с тре­ нием между частями породы, или с трением и сцеплением, под­ чиняющуюся законам сыпучих тел, в других — сплошную одно­ родную среду, подчиняющуюся законам теории упругости; в тре­

тьих — сложную среду, состоящую из шшт (балок) различной толщины и прочности.

Для случая с п л о ш н о й - ' О д н о р о д н о й с р е д ы , под­ чиняющейся законам теории упругости, новое напряженное состоя­ ние определяется по напряжениям, имеющим место в ненарушен­ ном массиве.

Рис. 9.5. Элементы свода давле­ ния (обрушения):

Рис. 9.6. Эпюры радиальных орд и тангенциальных (окружных) отг

напряжений вокруг горизонтальной выработки круглой формы

Так, для выработки круглого сечения распределение радиаль­ ных (ГрДи тангенциальных сгтг напряжений может быть вычислено по формулам:

координаты; о3 и а г — компоненты тензора напряжений в нетро­ нутом массиве.

Из формул (9.17) и (9.18) видно, что если о3 = ох, то все напряжения являются сжимающими; если ох > о3, то в кровле возникают растягивающие напряжения, а в боках выработки — сжимающие.

Гипотеза с в о д а д а в л е н и я предполагает с ы п у ч у ю с р е д у, в которой проводится выработка. В этом случае на кров­ лю выработки давит лишь часть породы, оконтуренная так назы­ ваемым сводом давления (рис. 9.5), в объеме которого порода отделяется от всего массива и при отсутствии крепи обрушается.

Очевидно, что для расчетов горного давления и параметров крепи необходимо выбрать гипотезу, которая бы наиболее близко описывала конкретный массив пород.

Так, в скальных породах согласно формулам (9.17) и (9.18) напряжения вокруг горизонтальной выработки круглой формы (при условии, что первоначальное напряженное состояние нетро­ нутого массива было гидростатическим) (рис. 9.6) будут следу­ ющими:

радиальные

(9.19)

тангенциальные (окружные)

(9.20) где го — радиус выработки; г — расстояние от центра выработки

циальные атг, напряжения, рассчитываемые по уравнениям, подобным (9.19) и (9.20):

ипри этом получают иные величины горного давления. Согласно этой теории давление на кровлю г о р и з о н т а л ь ­

но й выработки равно

Так, согласно методу акад. Л. Д. Шевякова, несущая способ­ ность с т о л б о в ы х целиков F при камерно-столбовой системе разработки вычисляется по формуле

-у//»—AuYi

где А — ширина камеры; у — средний объемный вес налегающих пород; Нп — мощность налегающих пород; у х — объемный вес пород в целике.

Расчет давления на призабойную крепь при разработке уголь­ ных месторождений в случае относительно слабых пород кровли производится на основе теории свода обрушения.

Передняя часть свода располагается впереди лавы на расстоя­ нии 5, задняя часть находится па границе пород, которые претер­

где femax — максимальная высота свода давления; а + s — полупролет свода; ух — координата точки свода.

Эмпирически установлено, что s ~ '[/'yH/f.

Напряжения озаб, возникающие в призабойпом пространстве, равны