книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Г л а в а XI

МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЕНИЙ ГОРНЫХ УДАРОВ

§ 39. Задачи исследования; факторы, влияющие на возникновение горных ударов

З а д а ч а м и и с с л е д о в а н и й »по данной проблеме являются: создание научно-обоснованной теории горных ударов и разработ­

ка мер борьбы с ними; разработка новых принципов, методов и средств ведения горных

работ на пластах, подверженных горным ударам, с учетом экономи­ ческой стороны этого вопроса;

создание научно-обоснованных методов прогноза горных удлр-.п , дальнейшее улучшение существующих и разработка новых прак­ тических руководств и инструкций по безопасному ведению горных

работ на удароопасных пластах.

Горные удары возникают в шахтах при определенном сочетании горногеологических и горнотехнических факторов, важнейшими из которых являются:

склонность системы «вмещающие породы — полезное ископаемое» к упругому деформированию и хрупкому разрушению под действием сил горного давления, зависящая от деформационных и прочностных характеристик разрабатываемой толщи массива;

ведение горных работ по таким схемам и такими системами раз­ работки, которые неизбежно приводят к значительной концентра­ ции напряжений на отдельных участках вблизи выработок (работа встречными и догоняющими забоями, ютработка целиков, ведение очистных работ на передовые выработки и старые выработанные пространства, под целиками и кромками массивов на вышележащих пластах и т. д.).

Так наличие в кровле угольных пластов крепких массивных пес­ чаников, способных к зависанию, всегда способствует увеличению опорных нагрузок, а следовательно, удароопасности.

Из других горногеологических факторов, влияющих на удароопасность можно указать на значение глубины разработки, мощ­ ности и угла падения пласта угля или рудной залежи, дизъюнктив­ ных нарушений. С увеличением глубины разработки, мощности плас­ та или залежи и при наличии дизъюнктивных нарушений сила и интенсивность горных ударов возрастают. При уменьшении угла залегания пластов и залежей частота возникновения горных ударов также увеличивается.

310

Так как количественное соотношение между всеми перечислен­ ными факторами бывает при разработке полезных ископаемых самое различное, то и степень опасности отдельных участков, блоков и целых шахт различна. Установление количественной связи между степенью опасности пласта угля или рудной залежи и указанными горногеологическими и горнотехническими факторами является оддой из важных задач при разработке методов прогноза горных ударов.

Определенные особенности в формах проявления горных ударов имеются на газоносных пластах. На крутых газоносных пластах, сравнительно небольшой прочности, могут возникать так называемые динамические явления комбинированного вида, которые сочетают в себе черты горных ударов и внезапных выбросов типа высыпания угля с усиленным газовыделением. Такие явления наблюдаются, например, на шахтах Кузбасса и особенно на Сучанском каменно­ угольном месторождении.

ЭтИ|Особенности проявления горных ударов на газоносных плас­ тах формируют определенные требования к применяемым способам борьбы с ними.

В настоящее время довольно хорошо изучены горногеологиче­ ские условия разработки месторождений и способы ведения горных работ, которые предопределяют возникновение удароопасной ситуа­ ции в шахте, о чем сказано выше. По вопросу о природе горных ударов в шахтах у большинства специалистов в целом существует единое мнение, базирующееся на результатах обширных исследова­ ний и богатого опыта ведения горных работ на шахтах, опасных по горным ударам.

П о д г о р н ы м у д а р о м в н а с т о я щ е е в р е м я п о н и м а ­ е т с я я в л е н и е в н е з а п н о г о , б у р н о г о р а з р у ш е н и я от­ д е л ь н ы х у ч а с т к о в п л а с т о в у г л я или г о р н ых пород, с о п р о в о ж д а ю щ е е с я в ы б р о с о м р а з р у ш е н н ы х п о р о д или у г л я в в ы р а б о т к у , с о т р я с е н и я м и м а с с и в а , д о х о д я щ и м и и н о г д а до з е м н о й п о в е р х н о с т и и в о з ­ д у ш н о й в о л н о й .

На рис. 38 показан ряд типичных случаев проявления горных ударов в шахтах.

Горный удар происходит в результате хрупкого разрушения силь­ но напряженных участков угля или боковых пород, сопровождаю­ щегося реализацией и перераспределением запасов потенциальной упругой энергии, накапливаемой под действием высокого опорного давления в угольном или породном массивах [1].

Такое представление о природе горных ударов является сейчас общепризнанным.

Врезультате исследований установлены основные закономерности

вповедении угля и пород в зонах опорного давления, что дало

311

возможность выяснить вопросы образования очагов горных ударов, раскрыть существенные стороны механизма горного удара, устано­ вить зависимость их проявления в очистных забоях от производ­ ственных процессов и параметров, применяемых способов выемки угля. Вскрыт механизм защитного действия пластов и разработаны методы прогноза удароопасности пластов и степени опасности от­ дельных их участков. Разработаны классификация горных ударов, вопросы о формах и особенностях проявления горных ударов на га­ зоносных и нарушенных пластах.

Результаты исследований ВНИМИ, ПермНИУИ, ЛГИ, ИФЗ АН СССР и др. по проблеме получают непосредственное внедрение на шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по горным ударам в Кизеловском бассейне, Кузбассе, Сучанском, Шурабском, Воркутском, Ткибульском и некоторых Сахалинских угольных месторож­ дениях, а также на рудных месторождениях горной Шории. Ре­ зультаты работ по исследованию защитных пластов внедряются также на шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа в Донбассе, Кузбассе, Воркутском и других угольных месторождениях.

Внедрение разрабатываемых практических рекомендаций осу­ ществляется путем издания соответствующих инструкций и руко­ водств, которые утверждаются в Комитете Госгортехнадзора и МУП СССР и являются обязательными для шахт.

§ 40. Методы и средства комплексного исследования механизма горных ударов и мер борьбы с ними

Исследования проводятся в следующих основных направлениях

[11, 13]:

изучение и анализ геологических и горнотехнических условий проявления горных ударов;

изучение процесса деформировцния и сдвижения горных пород и пластов угля вокруг подземных выработок, вызываемого горными работами;

изучение механических свойств горных пород и угля в лабора­ торных условиях на образцах;

изучение механических свойств и состояния угольного и пород­ ного массивов непосредственно в шахтных условиях;

измерение степени напряженности пород и угольного массива вокруг подготовительных и очистных выработок, а также около тектонических нарушений;

моделирование горных ударов, условий и процессов, их вы­ зывающих;

аналитические исследования и расчеты; проведение горно-экспериментальных работ в шахтах.

313

проявлений горного давления на всех стадиях разработки полез­ ного ископаемого (см. гл. IV и гл. X).

Должны быть получены данные о ширине зоны и об интенсив­ ности проявления опорного давления впереди очистных выработок; о зоне разгрузки и вторичного уплотнения пород после прохожде­ ния очистных забоев как при разработке одиночного пласта, так и при ведении очистных работ на смежных пластах свиты.

В подземных выработках с этой целью закладываются в толще пород в специальных скважинах серия глубинных реперов, а также парные реперы на обнажениях пород и пластов угля впереди очистных выработок, задолго до их подхода к местам наблюдения, по способу, описанному, например, в работе [10]. Инструменталь­ ные наблюдения за деформированием пород и угля, как правило, проводятся с помощью дистанционных приборов и самописцев, по­ зволяющих осуществлять непрерывность наблюдений и дающих воз­ можность проводить их на отдельных стадиях разработки в недо­ ступных для людей местах. Кратковременные наблюдения могут про­ водиться также с помощью переносных измерительных приборов и средств — микрометренной и индикаторной стойками ВНИМИ, ру­ леткой ВНИМИ и др. (гл. IV).

Сцелью получения полной картины процессов деформирования

исдвижения всей толщи налегающих пород, возникающих под воздействием очистных работ, закладываются профильные линии для наблюдения за оседанием земной поверхности с помощью обыч­ ного нивелирования, а также проходятся отдельные скважины, ко­ торые оборудуются глубинными реперами.

Спомощью указанного комплекса наблюдений могут быть полу­ чены объективные данные не только о ширине зон и интенсивности проявления опорного давления и разгрузки, но и о характере и осо­ бенностях поведения всей толщи горных пород при ведении очист­ ных работ на разных стадиях разработки пластов угля (полезного ископаемого) в зависимости от производственных процессов.

Вкачестве примера использования данных шахтных инструмен­ тальных наблюдений, на рис. 39 показан график зависимости ши­ рины зоны опорного давления от глубины разработки и мощности пласта.

Эта зависимость, полученная на основании обобщения данных замеров деформаций пород и угля, используется для выбора пара­ метров безопасной отработки пластов, опасных по горным ударам.

При изучении процесса деформирования и сдвижения горных пород следует стремиться к дублированию измерений с помощью разных методов и средств. Кроме маркшейдерских методов измере­ ния деформации необходимо широко привлекать геофизические ме­

тоды: сейсмический, сейсмоакустический, электрометрический, нак­ лономерный и др. Сопоставление данных маркшейдерских наблю­

315

рения передаются на смежные пласты и породы, в пределах и вне разрабатываемой группы пластов, до затухания деформаций в мас­ сиве пород. В том числе определению подлежат:

—углы наклона большой оси эллипса разгрузки пород ( 0° ) ;

—углы, оконтуривающие зону полных сдвижений ( ) ;

—углы, оконтуривающие защищенную зону (8*).

На рис. 40 и рис. 41 показаны схемы к определению защищенных зон на разрезе по простиранию и вкрест простирания.

Изучение механических свойств горных пород и угля

влабораторных условиях на образцах

Влабораторных условиях определяются по стандартной мето­ дике (см. гл. II) прочностные и деформационные показатели образ­ цов угля и пород: пределы прочности на одноосное сжатие и растя­ жение, модуль упругости, коэффициент поперечной деформации. Определяется также полный паспорт прочности пород и угля. В этих целях используют стабилометры.

Показатели деформационных и прочностных свойств горных по­ род и угля в образцах используются при изучении и анализе усло­ вий проявления горных ударов. В остальных случаях эти показатели необходимы для аналитических расчетов напряжений, возникаю­ щих в толще пород под влиянием горных работ (например, при рас­ чете напряжений по измеренным в натуре деформациям пород или угля, в том числе по методу разгрузки).

316

Применительно к исследованиям защитных свойств пластов ста­ вятся задачи:

определение упругих характеристик образцов пород, вмещаю­ щих защитные и опасные пласты с целью использования этих ха­ рактеристик в расчете границ защищенных зон; попутно ставится задача определения истинных упругих постоянных, характеризуют щих слоистый массив в целом;

определение паспорта прочности (в широком диапазоне нормаль­ ных напряжений) удароопасных пластов по образцам, извлеченным из мест проведения натурных прочностных испытаний представитель­ ных объемов угольного массива. Ставится задача сопоставления соответствующих результатов натурных и лабораторных испытаний и установления устойчивых соотношений между этими результатами. Прочностные свойства удароопасных пластов используются для вы­ явления критерия при оценке «защищенности» отдельных точек массива от горных ударов и внезапных выбросов на основе представ­ лений о переходе участков пласта в предельное состояние.

Изучение механических свойств и состояния угольного и породного массивов непосредственно в шахтных условиях

Основной целью исследований в этом направлении является разработка методов прогноза форм проявления горных ударов и степени удароопасности угольных пластов, а также раскрытие не­ которых сторон механизмов горных ударов.

Изучение механических свойств угольного массива может про­ изводиться с помощью давильных установок ВНИМИ [2—5], рас­ считанных на создание в пласте удельных нагрузок до 1200 кг/см2 на площади до 1—2 м2 (см. рис. 7).

Пласты угля следует испытывать с помощью давильных уста­ новок в. условиях одноосного, либо трехосного сжатия при быстром и длительном нагружениях (см. гл. II).

Склонность пластов угля к проявлению того или иного типа горного удара при прочих равных условиях (глубина горных работ, литологический состав, мощность и прочность толщи пород, степень нарушенности и газоносности пластов и т. д.) определяется харак­ тером деформирования и разрушения угольного массива при его искусственном нагружении с помощью давильных установок в ус­ ловиях одноосного и трехосного сжатия.

К горным ударам обычного типа склонны пласты, которые при нагружении в условиях одноосного сжатия на площади не менее 0,4—0,5 м 2 сохраняют способность к преимущественно упругому деформированию.

Разрушение таких пластов при искусственном нагружении про­ исходит в форме толчков и микроударов и сопровождается значи­ тельным размельчением угля. Упругие свойства этих пластов при длительном нагружении сохраняются.

319