книги / Основы механики горных пород

РАЗДЕЛ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МАССИВАХ ПОРОД

ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗРАБОТКИ

Глава 18. ГОРНЫЕ УДАРЫ

§ 93. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Наряду со статическими формами проявлений горного дав­ ления, рассмотренными выше, в массивах горных пород могут происходить динамические, внезапные разрушения участков, на­ ходящихся в определенных условиях напряженного состояния при больших действующих напряжениях. В естественной геоло­ гической обстановке к подобным динамическим явлениям в земной коре относятся землетрясения. При ведении же гор­ ных работ таковыми являются горные удары и внезапные вы­ бросы газа и пород.

Горный удар представляет собой явление хрупкого разруше­ ния предельно напряженного участка массива (обычно краевой его части возле выработки или целика), при котором проис­ ходят интенсивное дробление, измельчение и выброс породы или разрабатываемого полезного ископаемого в выработку, на­ рушение крепи, смещение, что влечет за собой в ряде случаев повреждение добычных машин и оборудования (рис. 140). Удар сопровождается сейсмическими колебаниями в окружаю­ щем массиве, резким звуком, воздушной волной и образованием пыли.

Как правило, горному удару предшествует усиление давле­ ния на крепь и целики, а после удара усиливается горное дав­ ление на смежных участках. В ряде случаев горным ударам сопутствует вспучивание почвы и выдавливание пород в вы­ работку.

Первые сведения о горных ударах, происшедших на оловян­ ных рудниках Англии, относятся к 1738 г. Во второй половине XIX в. горные удары стали отмечаться при разработке уголь­ ных месторождений в странах Западной Европы. С этого вре­ мени проблеме горных ударов стали уделять все возрастающее внимание.

В СССР первые горные удары были отмечены в 1944 г. на щахтах Кизеловского каменноугольного бассейна, отличаю-

в результате чего образовался породный целик. По нижнему пласту вели проходку восстающей выработки. При приближе­ нии забоя выработки к зоне влияния целика по верхнему пласту добываемость угля и пород улучшилась настолько, что можно было отбивать породу без взрывных работ. Уголь отжимался

сколько дней до удара появились сильные трески. Горный удар в выработке произошел, когда она на протяжении около 25 м находилась в зоне влияния целика по верхнему пласту. В результате удара была повреждена и сильно деформирована металлическая крепь четырех рам на участке протяженностью около 6 м от забоя. Удару сопутствовали воздушная волна и образование большого количества пыли. Почва и кровля в вы­ работке не нарушились, а интенсивное сближение стенок про­ должалось и после удара. В результате через полдня ножки металлических рам крепи сблизились у почвы до 0,8 м, а через сутки все сечение выработки в интервале 19 м полностью было заполнено углем и породой. Крепь, рештаки конвейера, трубы и рельсы были сжаты и деформированы. При восстановитель­ ных работах было отмечено, что смещение стенок выработок произошло сплошным массивом. При бурении в сторону одной из стенок на расстоянии 0,5— 1 м от нее была обнаружена трещина шириной 0,5 м, заполненная разрыхленным углем.

Горные удары происходят также и в очистных забоях. В ка­ честве одного из характерных примеров можно привести гор­ ный удар на руднике Конкордия в Рейнско-Вестфальском рай­ оне [2]. Разработку каменноугольного пласта Жирондель мощ­ ностью 1,35 м вели сплошной системой при скорости подвигания забоя 2 м/сут. Кровля и почва пласта представлены мощными слоями монолитных песчаников. Рабочее пространство крепили деревянными стойками с перекладинами по простиранию. Управление кровлей осуществлялось частичной закладкой с вы­ кладкой бутовых полос.

Удар произошел на глубине около 800 м в добычную смену и повлек человеческие жертвы. Схема участка горного удара показана на рис. 142. Протяженность участка удара по фронту забоя 25 м. При ударе в рабочее пространство было выброшено большое количество угля. В верхней части пласта по границе с кровлей образовалась щель высотой 0,15 м и глубиной около 3 м. Над пластом Жирондель на расстоянии 260 м разрабаты­ вали другой пласт, но его разработка не оказала защитного действия на данный пласт.

Рис. 142. Разрушение при горном ударе в очи­ стном забое (ФРГ, руд­ ник Конкордия).

1 — линия забоя; 2 — линия выброса угля гфи ударе; 3 — граница развала выбро­ шенного угля.

А -А

Причиной горного удара в рассматриваемом случае явилось наличие прочных пород кровли и почвы, зависание кровли на большой площади и создание высокого опорного давления на краевую часть разрабатываемого пласта.

Рассмотренные примеры горных ударов относятся к камен­ ноугольным месторождениям. Однако горные удары проявля­ ются и при разработке рудных и соляных месторождений, осо­ бенно на больших глубинах. Интенсивные горные удары проис­ ходят в рудном районе Пшибрам (ЧССР), где ведут разработку полиметаллических жильных месторождений на глубинах до 1800 м. Горные удары проявляются при разработке свинцово­ цинковых руд в Австрии, на медных рудниках США, медно­ никелевых и золотых рудниках Канады и др. На наиболее глубоких в мире золотых рудниках Коларского района в Индии и рудниках Витватерсранд в ЮАР, где глубина горных работ достигла 3400 м, произошло множество сильных горных ударов.

Так, огромной силы горный удар произошел в 1960 г. при разработке золоторудного месторождения Колар, представлен­

до 85° (на нижних горизонтах). Удар был инициирован взрыв­ ными работами. Вслед за первым ударом в течение 21 суток произошло более 200 повторных ударов, вызвавших разрушение подземных выработок на участке размерами около 700 м по простиранию и 580 м по вертикали. Для борьбы с горными уда­ рами принимают разнообразные, подчас дорогостоящие меры, которые освещаются ниже.

Горные удары в определенных условиях проявляются как микроземлетрясения. На шахте «Шомберки» (ПНР) в резуль­

тате горного удара заметные деформации получили здания, расположенные в 4 км от места, где произошел удар. Шахта разрабатывает угольные пласты, залегающие в форме синкли­ нальной складки. В толще пород имеются мощные слои проч­ ных песчаников, склонных к зависаниям.

Наиболее сильные горные удары в мировой горной прак­ тике произошли на соляных рудниках. Площадь разрушения горных выработок достигала в отдельных случаях 1—3 млн. м2. Сейсмический эффект при этом отмечали в радиусе нескольких сотен километров от эпицентра горного удара. Например, гор­ ный удар в 1958 г. на руднике им. Тельмана калийного ком­ бината Верра в ГДР был зарегистрирован сейсмическими стан­ циями в Москве, Турции, Испании. Горные удары на руднике «Киркланд-Лейк» (Канада) ощущались сейсмическими стан­ циями на расстоянии более 900 км.

Обычно горным ударам подвержены участки массивов, сло­ женных прочными упругими породами. Однако известны случаи горных ударов и в слабых обводненных породах. Так, они от­ мечались в Баварском буроугольном бассейне при разработке мощных и средней мощности пластов на глубинах 90—130 м [2]. Пласты залегали в породах, представленных глинами, пес­ чанистыми глинами, песками, насыщенными напорными водами. Пласты были представлены весьма крепкими углями, часто сильно обводненными. Ударам предшествовали сильные трески, стреляние угля, толчки при проведении выработок. Сопровож­ дались удары выбрасыванием угля, поднятиями почвы, сильной воздушной волной, сейсмическими колебаниями, ощущаемыми на земной поверхности. Происходили они в столбчатых цели­ ках, в штреках среди очистных выработок, в изолированных штреках. С увеличением сечения выработок удары усили­ вались.

Горным ударам подвержен также буроугольный пласт Шурабского месторождения в Средней Азии. Здесь глубина зале­ гания около 200 м. Уголь имеет малую прочность, но обладает высокими упругими показателями.

Известны случаи горных ударов не только в подземных вы­ работках, но и на карьерах, и притом на небольших глубинах при достаточно прочных породах. Таковы, например, горные удары в мраморных карьерах штата Вермонт в США.

в Донбассе, Кузбассе, на Воркутинском, Ткибульском, КзылКийском угольных месторождениях. Начальная форма горных ударов зарегистрирована в Криворожском железорудном бас­ сейне, на апатитовых месторождениях Хибин и Ловозерских ме­ сторождениях на Кольском полуострове на Таштагольском, Коунрадском и некоторых других рудных месторождениях.

§95. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ

ИПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ИХ МЕХАНИЗМЕ

Горные удары происходят при определенных сочетаниях естественных геологических и горнотехнических условий. Эти сочетания крайне разнообразны и связаны с влиянием многих факторов, которыми определяется не только само возникнове­ ние горных ударов, но также их сила и характер проявления.

К наиболее существенным геологическим факторам, обуслов­ ливающим возможность появления горных ударов, относятся следующие: достаточно прочное и упругое полезное ископаемое; залегание в кровле и почве полезного ископаемого мощных прочных слоев пород; достаточно большая относительная глу­ бина горных работ (при этом критическая глубина неодинакова для полезного ископаемого и окружающих пород разной проч­ ности, что следует из приведенных выше примеров); сильная тектоническая нарушеиность месторождения или участка и ве­ дение горных работ вблизи дизъюнктивных нарушений и замков складок.

Среди горнотехнических факторов, подготавливающих гор­ ные удары, т. е. создающих условия для их возникновения, наиболее существенны следующие: ведение горных работ с ос­ тавлением целиков полезного ископаемого; изрезанность отра­ батываемого участка большим числом подготовительных и на­ резных 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 импульсные нагрузки на участки массива при ведении добычных и взрывных работ.

Очагами горных ударов являются участки повышенной кон­ центрации потенциальной энергии упругого сжатия массива горных пород (целики полезного ископаемого и вмещающие породы, в особенности выступающие в очистное пространство, стенки подготовительных выработок и т. п.), находящиеся в ус­ ловиях предельного напряженного состояния. Именно предель­ ное напряженное состояние, создающееся в отдельных участках массива и обусловленное действием горного давления, т. е. действием гравитационных и тектонических сил, а в некоторых случаях и дополнительным влиянием давления напорных вод, является основной причиной горных ударов. Существенную роль в развязывании процесса горного удара 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 при­

массива, находившегося в предельном напряженном состоянии, и к переходу накопленной потенциальной энергии в работу раз­ рушения, дробления, смещения части массива.

Ввиду большой сложности и разнообразия условий проявле­ ния горных ударов всесторонне разработанная теория этих про­ цессов пока отсутствует. Достаточно детально известно, какие факторы и условия приводят к возникновению горных ударов. В то же время о механизме последних, т. е. о том, что же про­ исходит с полезным ископаемым и вмещающими породами в мо­ мент удара, какие именно физические процессы приводят к удару и протекают за короткий период его развития, имею­ щиеся знания малы и не выходят пока за рамки предваритель­ ных гипотез.

Имеются две точки зрения на причины разрушения пород при горном ударе. Одна из них сводится к тому, что горный удар происходит в результате спонтанного развития деформа­ ций пород с разрывом сплошности в направлении, нормальном к направлению приложения нагрузок. Другая состоит в том, что разрушение при горном ударе происходит под действием каса­ тельных напряжений, обусловливаемых неравномерностью на­ пряженного состояния в краевых частях массива.

Проф. И. М. Петухов сформулировал следующие два прин­ ципиальных положения относительно механизма горных ударов

[37]:

а) горный удар является следствием нарушения равновесия всей системы «блок породы — полезное ископаемое»;

б) горный удар возможен в том случае, если скорость де­ формации, обусловленная нарастанием удельного давления, превысит максимально возможную скорость пластического де­ формирования для данной части массива, находящейся в пре­ дельно напряженном состоянии.

Последнее положение является наиболее существенным, ос­ новным условием возникновения горного удара. На основе этого положения становятся ясными причины приводившихся выше примеров горных ударов в массивах, сложенных слабыми и весьма обводненными горными породами.

Проф. С. Г. Авершин, рассматривая вопрос о вероятном ме­ ханизме горных ударов, указывает на хрупкое разрушение краевой части массива при ударе под влиянием возникающих

некоторый запас потенциальной упругой энергии, который сох­ раняется до тех пор, пока при проведении выработки не воз-

М. М. Петухов, рассматривая схему состояния краевой части массива, выделяет дополнительно несколько зон с плавными переходами от одной из них к другой (рис. 144). В глубине массива образуется ядро пород, находящихся в пластическом (или псевдопластическом) состоянии (зона В). Породы в этой зоне обладают высоким внутренним давлением, которое урав­ новешивается сопротивлением пород зон Б и Г При этом пери­ ферийная часть массива в пределах зоны Б оказывает сопро­ тивление внутреннему давлению за счет трения по контактам с боковыми породами и защемления полезного ископаемого бо­ ковыми породами. Если внутреннее давление в зоне В превы­ шает сопротивление периферийной зоны Б, происходит под­ вижка пород зон А и Б в сторону выработанного пространства до тех пор, пока вновь не установится равновесие. Такие под­ вижки могут происходить многократно. Причем если хрупкое разрушение будет испытывать лишь незначительная часть зоны В, то возникнут только многократные толчки, без разрушения всей сильно напряженной части массива. Если нее внутренние выталкивающие силы в зоне В окажутся достаточно большими, чтобы сообщить породам в зонах А и Б непрерывное движение в сторону выработанного пространства, то возникнет лавино­ образный процесс разрушения пород в зоне В, т. е. горный удар.

В районах, где происходят геотектонические процессы, раз­ работка месторождений полезных ископаемых приводит к на­ ложению на существующее в земной коре поле напряжений дополнительного поля, вызванного перераспределением горного давления под влиянием подземных выработок. В этих районах напряженно-деформированное состояние массива нередко больше зависит от усилий, действующих в горизонтальном на­ правлении, чем в вертикальном, что наблюдается, в частности, на месторождениях Кольского полуострова и Горной Шории. Внезапное высвобождение потенциальной энергии упругого сжа­ тия, накопленной под совместным воздействием геологических и горнотехнических факторов, приводит к мгновенным хрупким разрушениям участков массива в местах концентрации напря­ жений.

Большое влияние на условия возникновения горных ударов оказывает скорость подвигания очистных забоев. С увеличением скорости подвигания забоев повышается интенсивность нагру­ жения массива в зоне опорного давления, возрастает доля уп­ ругой деформации и создаются условия для внезапного хруп­ кого разрушения массива. Считается [104], что потенциально опасным является находящийся под нагрузкой пласт в том случае, когда доля упругих деформаций достигает 70 % от суммарных деформаций, возникающих при разрушении. При остановке забоя или очень медленном его подвигании происхо­ дит уплотнение массива, повышение его жесткости и хрупкости,