книги / Основы механики горных пород

Длина шпура I принимается на 0,5 м больше глубины гер­ метизации на мощных пластах и на 0,3 м — на пластах тонких и средней мощности. Максимальное давление воды рт ах при нагнетании в мощный пласт составляет 80-1-220 кгс/см2, а при нагнетании в пласты тонкие и средней мощности оно опреде­ ляется по формуле

не менее 0,7 м для очистных забоев и не менее 1 м для подго­ товительных забоев.

Шпуры для гидроотжима бурятся в наиболее мощной пачке пласта, в которой достигается их качественная герметизация. В подготовительных забоях для обеспечения качественной гер­ метизации шпуры иногда бурят на пласт из породного забоя. Нагнетание воды в пласт начинают плавным повышением дав­ ления до Ртах и продолжают до тех пор, пока давление не сни­ зится до рк = 30+ рс, кгс/см2.

При эффективном гидроотжиме скорость смещения боковых пород увеличивается по сравнению со смещением в ремонтные смены в 30—80 раз, при этом максимальная скорость смещения наблюдается во время самого процесса гидроотжима. После за­ вершения этого процесса смещение в обработанной гидроотжи­ мом призабойной зоне, наоборот, более спокойное и равномер­ ное, чем в необработанной зоне.

С п о с о б о х л а ж д е н и я п р и з а б о й н о й ч а с т и м а с ­

снижение напряжений в призабойной зоне. Зная модуль упруго­ сти породы Е и коэффициент ее линейного расширения а, уменьшение напряжений можно приближенно оценить по фор­ муле

где Д /— перепад температур при охлаждении приконтурного массива. С другой стороны, при понижении температуры увели­ чивается сорбционная емкость пород и происходит уменьшение давления газа.

Для реализации способа требуется наличие специальных охлаждающих средств — криогенных жидкостей (например, жидкого азота, нагнетаемого в массив через опережающие скважины) — и соответствующей криогенной аппаратуры.

С п о с о б ф и з и к о - х и м и ч е с к о г о в о з д е й с т в и я [141] предусматривает нагнетание в призабойную часть массива рас­ творов некоторых органических высокомолекулярных соедине­

ний (например, мочевиноформальдегидных смол), способных к быстрой полимеризации и отверждению в присутствии ката­ лизаторов. После насыщения призабойной части массива растЕор твердеет. Свободный метан оказывается включенным во вновь образованную структуру как наполнитель и утрачивает способность лавинообразного выделения. Способ перспективен для предотвращения внезапных высыпаний за счет повышения устойчивости обнажений.

С п о с о б м и к р о б и о л о г и ч е с к о г о в о з д е й с т в и я ос­ нован на эффекте снижения метаионосности за счет разруше­ ния метана микроорганизмами. В призабойную часть массива нагнетают через скважины биологически активную суспензию, проводя одновременно пневматическую обработку массива для обеспечения кислородом. В процессе окисления с участием бак­ терий происходит разрушение метана, образуется углекислый газ, частично выносимый из массива фильтрующимся возду­ хом. Способ находится в стадии экспериментальной прора­ ботки.

Эффективность применяемых локальных способов в части уменьшения напряженности призабойной области массива обычно контролируют по снижению сейсмоакустической актив­ ности, проводя для этого сейсмоакустические наблюдения.

Особенно существенное значение имеют локальные способы устранения ударо- и выбросоопасности пород при подходе фронта горных работ к зонам тектонических нарушений, где резко увеличивается неравномерность напряженного состояния массива, увеличивается опасность и возможная сила горных ударов или внезапных выбросов.

§ 109. ВЫЕМКА ЦЕЛИКОВ, ОПАСНЫХ ПО ГОРНЫМ УДАРАМ

Выемку целиков, опасных по горным ударам, можно осуществлять либо способами, исключающими их возникнове­ ние, либо такими способами, при которых горные удары не ис­ ключаются, но обеспечиваются безопасность горнорабочих и бесперебойность технологического процесса.

Анализ распределения напряжений в целиках и практиче­ ский опыт показывают, что наиболее опасными по горным уда­ рам являются подготовительные и нарезные выработки, прой­ денные в пределах отрабатываемых целиков. Поэтому такие выработки следует использовать только как вентиляционные либо необходимо их заглублять на полное сечение в почву от­ рабатываемого пласта или залежи. Откаточные выработки не­ обходимо располагать и поддерживать со стороны выработан­ ных пространств, окружающих целики. С помощью бутовых по­ лос возможно сохранять выработки позади очистного1 забоя.

Очистные работы необходимо вести сплошным фронтом, начи­ ная их от краевых частей целиков, которые под воздействием опорного давления претерпели значительные деформации, ча­ стичное раздавливание, вследствие чего опорные нагрузки пе­ реместились ближе к центральной части целиков. Таким обра­ зом, наиболее благоприятным является ведение очистных ра­ бот по отработке целиков от менее напряженных к более напряженным их участкам.

Отбойку полезного ископаемого следует производить буро­ взрывным способом при одновременном взрыве по всему забою в целях провоцирования назревающего горного удара. В тече­ ние 0,5— 1 ч после взрыва люди не должны допускаться в район отрабатываемых целиков.

Выемка целиков осуществляется после приведения вырабо­

проведением локальных мероприятий. Ширину защитной зоны при мощности пласта т менее 3 м можно определять из выра­ жения п —2т+1, м. При мощности пласта более 3 м ширина защитной зоны практически не меняется и составляет 7—7,5 м.

действующим нормативным документам или по рекомендациям, приведенным в гл. 14), то выемка целиков производится после их профилактической обработки по всей площади.

Использование при обработке целиков локальных способов приведения призабойного массива в неудароопасное состояние, предусматривающих бурение скважин в напряженный целик, небезопасно. Поэтому в таких случаях следует организовывать дистанционное бурение.

Нельзя производить отработку целиков в зонах влияния дей­ ствующих очистных забоев, так как при этом возникает допол­ нительная опасность горных ударов за счет перераспределения нагрузок с соседних участков ведения очистных работ.

Выемку околоштрековых целиков следует вести от ранее пройденных печей по простиранию пласта, а целиков у наклон­ ных выработок — в направлении сверху вниз диагональным за­ боем. В условиях крутого падения выемка целиков у наклон­ ных выработок допустима лишь способами, исключающими присутствие людей в очистном забое (гидроотбойка, буро­ взрывной способ с применением глубоких скважин, применение канатных пил и др.).

Во всех случаях предварительно составляют проект выемки целиков, опасных по горным ударам, рассматривая в проекте возможное перераспределение напряжений в окрестности цели­ ков после их выемки и предусматривая наряду с необходимой

технологией горных работ проведение сеисмоакуСтйческих на­ блюдений и инструментальных измерений деформаций массива впереди очистного забоя, деформаций и смещений кровли и почвы выработок.

§ПО. ЗАЩИТА ЛЮДЕЙ ОТ ГОРНЫХ УДАРОВ

ИВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

Опасность динамических проявлений горного давления для людей, работающих в шахте, состоит: в травмировании и засыпании их отбрасываемой и обрушающейся массой добывае­ мого полезного ископаемого и вмещающих пород; в травмиро­ вании разрушаемой крепью выработок при нахождении в непо­ средственной близости от места горного удара или внезапного выброса; в травмировании под действием сильной воздушной волны при горных ударах; в образовании взрывчатой газовоз­ душной смеси при внезапных выбросах; в заполнении газом горных выработок вблизи места внезапного выброса и образо­ вании бедной кислородом газовоздушной смеси; в нарушении нормальных условий вентиляции рабочих мест вследствие их завала при горных ударах и внезапных выбросах. В зависимо­ сти от масштаба горного удара или внезапного выброса опас­ ность может угрожать людям, находящимся в непосредственной близости от забоя, находящимся в пределах всего добычного участка, либо даже находящимся под землей в пределах всей шахты или рудника.

Первой мерой защиты людей от опасности является органи­ зация службы прогноза динамических проявлений горного дав­ ления и своевременное предупреждение людей о надвигаю­ щейся опасности с переводом шахты на специальный режим ведения горных работ, исключающий присутствие людей в опас­ ных местах.

Важное значение имеет тщательный инструктаж горнорабо­ чих о визуальных признаках ударо- и выбросоопасности, пред­ вестниках горных ударов и внезапных выбросов, мерах само­ спасения, предусматриваемых планом ликвидации аварий.

Для возможной механической защиты работающих следует предусматривать специальные крепи, щиты, защитные козырьки и другие конструктивные меры, которые могут быть вполне до­ статочными и весьма эффективными, например, при стрелянии горных пород, толчках, микроударах и небольших выбросах. Так, в практике ведения горных работ в выбросоопасных усло­ виях в СССР, Польше, ГДР и других странах в ряде случаев применяют предохранительные щиты и перемычки. Их устанав­ ливают обычно на расстоянии 3—4 м от забоя. Они должны обладать достаточной прочностью, податливостью и быть удоб­ ными для быстрого монтажа. Хорошо зарекомендовали себя

защитные металлические навесные решетки, используемые на угольных шахтах Польши, а также канатные заградительные перемычки, применяемые в Донбассе.

В особо ударо- и выбросоопасных условиях необходимо предусматривать дистанционное управление горными маши­ нами и механизмами и применение безлюдных способов веде­ ния очистных работ и проходки выработок. Так, выемка угля комбайнами и врубовыми машинами на опасных пластах и бу­ рение шпуров (скважин) при выемке целиков должны произ­ водиться с дистанционным включением и выключением меха­ низмов на расстоянии не менее 15 м, при этом присутствие лю­ дей вблизи работающих машин не допускается. При отработке целиков буровзрывным способом присутствие людей во время взрывания и в течение 30 мин после него также не допуска­ ется. Они должны находиться в это время не ближе 200 м от места взрыва, как правило, в выработках, пройденных по по­ роде. Без постоянного присутствия людей в лаве должны ве­ стись работы по выемке угля при переходе очистными забоями зон влияния целиков угля и кромок угольного массива по смежным пластам в свите.

При внезапных выбросах наиболее опасны условия в очи­ стных выработках маломощных крутых пластов: работающие ниже участка выброса подвергаются опасности травмирования, работающие выше этого участка — опасности удушения газом. Поэтому в таких условиях предусматривают запасные выходы через выработанное пространство по специальным ходкам, за­ щищенным бутовыми полосами. В последние годы выемку угля при разработке крутых и крутонаклонных пластов на многих шахтах Донбасса стали производить широкими полосами по падению с помощью щитовых агрегатов АЩ и АНЩ без по­ стоянного присутствия людей.

Противогазовая защита предусматривает специальные меро­ приятия по быстрому восстановлению нормальных условий вен­ тиляции, подаче свежего воздуха в изолированные обрушением или выбросом участки и применение индивидуальных средств защиты — самоспасателей.

§ 111. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВА В ПРОЦЕССЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО ПРИ ДОБЫВАНИИ

Как было показано в предыдущих главах данного раз­ дела книги, запасы потенциальной энергии, накапливаемой в результате упругой деформации призабойных частей массива ударо- и выбросоопасных пластов и залежей, настолько велики, что часто приводят к бурному разрушению более или менее

значительных частей массива с интенсивным хрупким дроб­ лением.

В практике горных работ давно замечено, что при высокой напряженности внедрение добычных инструментов в массив и отделение кусков полезного ископаемого от массива часто зна­ чительно облегчаются. Например, скорость бурения шпуров и скважин в сильно напряженном массиве возрастает иногда в 2—3 раза, причем встречаются участки, на которых буровой инструмент внедряется в массив при ничтожно малых осевых усилиях. В 1,5—2 раза и более возрастает в таких условиях производительность забойщиков, ведущих добычу с примене­ нием отбойных молотков. При ведении проходческих или очи­ стных горных работ буровзрывным способом коэффициент ис­ пользования шпуров в ударо- и выбросоопасных условиях обычно становится большим единицы. На некоторых шахтах при проходке выработок систематически происходят так на­ зываемые «самоотпалы», представляющие собой микроудары. Они наблюдаются, например, при подбое несколькими шпурами лунок под крепь. Бывают даже такие случаи, как, например, на шахте № 4 Кзыл-Кийского угольного месторождения, где при проходке штрека поперек оси синклинали совсем не пона­ добилось применять взрывные работы: проходку вели только за счет микроударов, вызываемых подбоем. На шахте № 2-Ка- питальная в Кизеловском бассейне при ведении очистных ра­ бот по пласту № 9 при длине бара врубмашины 1— 1,5 м при­ меняли для отбойки буровзрывные работы. Когда удлинили бар до 2—2,2 м, буровзрывные работы были полностью исклю­ чены из добычного процесса, так как в результате микроударов в момент зарубки происходило разрушение угольного пласта на всю его мощность и на ширину 2—2,3 м. Месячное подвигание забоя лавы длиной 120 м составляло 50 м, тогда как при выемке того же пласта в разгруженной зоне оно было всего лишь 25—30 м [37J.

Описанные эффекты свидетельствуют о принципиальной воз-, можности полезного использования потенциальной энергии сильно напряженных призабойных частей массива полезного ископаемого для его отделения и разрушения в процессе про­ ходческих и очистных работ. Для этого необходимо отыскать способы, параметры и создать соответствующие технические средства, которые позволили бы эффективно управлять про­ цессом преобразования потенциальной упругой энергии приза­ бойных частей массива в полезную работу по его разрушению. Активным поборником этой идеи, организовавшим крупные ра­ боты по ее практической реализации, является проф. И. М. Пе­

рименты на моделях показывают, что с увеличением ширины одновременно выжимаемой, отбиваемой или подрубаемой при­ забойной полосы полезного ископаемого количество высвобож­ даемой потенциальной упругой энергии растет по закону, ко­ торый может быть приближенно охарактеризован уравнением параболы третьей степени. Общий баланс энергии складыва­ ется из упругой энергии, сосредоточенной в самом полезном ис­ копаемом, и энергии, сосредоточенной во вмещающих породах. Кроме того, уступ, образующийся впереди исполнительного ор­ гана выемочной машины, создает дополнительную концентра­ цию напряжений в слое полезного ископаемого и во вмещаю­ щих породах, в результате чего запасы потенциальной энергии в призабойной зоне повышаются.

Поскольку количество упругой энергии, переходящей из по­ тенциальной в кинетическую, с увеличением ширины одновре­ менно вынимаемой полосы полезного ископаемого растет весьма интенсивно, изменяя ширину захвата выемочной ма­ шины, можно активно и притом в больших пределах регули­ ровать процесс высвобождения энергии горного давления, обеспечивая в конкретных горно-геологических условиях вы­ свобождение такого количества потенциальной энергии в еди­ ницу времени, которое необходимо и достаточно для безопас­ ного и эффективного разрушения полезного ископаемого.

Варьируя ширину захвата и скорость внедрения исполни­ тельного органа выемочной машины, можно, с одной стороны, достичь исключения опасных проявлений горного давления, а с другой — использовать высвобождаемую потенциальную упругую энергию для хрупкого разрушения полезного ископае­ мого и его выемки. При этом скорость внедрения в полезное ископаемое исполнительного органа выемочной машины позво­ ляет в известных пределах управлять процессом перехода уп­ ругой энергии в энергию работы по пластическому деформиро­ ванию и разрушению призабойной части полезного ископае­ мого. При достаточно больших скоростях нагружения упругие напряжения в слое полезного ископаемого не успевают вырав­ ниваться. Вследствие этого исполнительный орган выемочной машины подсекает область массива с напряжениями более вы­ сокими, чем временное сопротивление сжатию элемента мас­ сива в месте зарубки. Это приводит к процессу хрупкого раз­ рушения. Снижение скорости внедрения позволяет ослабить процесс хрупкого разрушения либо вовсе исключить его. С дру­ гой стороны, минимальное разрушение полезного ископаемого режущим органом позволяет в максимальной степени исполь­ зовать потенциальную энергию для хрупкого разрушения под­ резаемой части ископаемого.

Эти принципы приняты в качестве основы создания спе­ циальных горных машин. Одним из типов таких машин,

рушение угля в форме микроударов часто обгоняло режущий орган, который использовали лишь для регулирования процесса разрушения пласта [37].

Об энергетической эффективности использования горного давления при добыче можно судить на основе сравнения зна­ чений конструктивного показателя измельчения полезного ис­

углю, не предусматривающих использование эффекта хрупкого разрушения, составляет 20— 100 % (преимущественно около 60%) , при использовании же канатных пил лишь 1—5% . Та­ кое большое снижение энергоемкости процесса разрушения по­ зволяет существенно упрощать конструкции добычных машин, обеспечивая их более высокую надежность.

Опыт показал, что прорезывание канатными пилами тонких щелей (толщиной 3—10 см) с углублением в пласт на 15— 20 см на пластах, склонных к хрупкому разрушению и осо­ бенно опасных по горным ударам, приводило к микроударам,

в результате которых пласт разрушался на всю его мощность, причем разрушение часто опережало режущий орган.

Наряду со способом выемки полезных ископаемых с по­ мощью канатных пил перспективными способами, основанными на использовании потенциальной упругой энергии призабой­ ного массива, могут быть: дистанционное бурение скважин большого диаметра (250—300 мм и более) ; комбинирован­ ное применение буровых скважин с режущими инструментами, монтируемыми через скважины (например, выемка с помощью скважин большого диаметра на первом этапе и с помощью ка­ натных пил, смонтированных через эти скважины,— на втором); гидроразмывание полезного ископаемого через скважины ма­ лого диаметра, при котором наряду с измельчением ископае­ мого происходит его разрушение под действием реализуемой упругой энергии.

Весьма перспективен способ провоцирования внезапных вы­ бросов заданной энергии, т. е. регулируемых выбросов при проходке выработок по выбросоопасным породам с использо­ ванием для такого регулирования щитов, перекрывающих вы­ работку. Этот способ может быть успешно применен и при ве­ дении очистных работ на мощных пластах и залежах. Положи­ тельный опыт такого использования потенциальной упругой энергии имеется на калийных шахтах ГДР, где применяют специальные паспорта буровзрывных работ для управляемого провоцирования выбросов и получения в очистных камерах больших количеств отбитой соли.

Значительного внимания заслуживает предложение С. Г. Авершина и И. М. Петухова об управляемом разрушении полезного ископаемого в призабойных напряженных зонах пу­ тем приложения необходимой добавочной энергии с помощью вибрационных машин. Возможности широкого варьирования частотным спектром возбуждаемых упругих колебаний и при­ ближения их частот к резонансным позволяют максимально ис­ пользовать энергию на разрушение и делают это предложение весьма перспективным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С первых же шагов развития горного промысла людям, добывавшим полезные ископаемые, приходилось постоянно сталкиваться с вопросами, которые ныне относят к механике горных пород.

Прежде всего это касалось оценки устойчивости прост­ ранств, образующихся в результате извлечения полезных иско­

туиции.

В соответствии с этим начальным этапом развития механики горных пород являлось изучение закономерностей обрушения и оседания горных пород в выработках и на земной поверхно­ сти на базе обобщения практического опыта ведения горных работ, а также визуальных и простейших инструментальных на­ блюдений. В результате такого изучения появились первые практические правила определения области влияния горных работ на земной поверхности и в первую очередь той ее ча­ сти, которая характеризуется развитием опасных деформаций

итрещин.

Кконцу XIX в. были изучены основные формы деформиро­ вания и разрушения горных пород в выработках и на дневной поверхности, начаты инструментальные наблюдения за дефор­ мированием дневной поверхности при разработке главнейших западноевропейских угольных месторождений и предложены первые практические правила для построения охранных цели­

ков и ограничения области опасных сдвижений поверхности. Однако предложенные зависимости носили эмпирический

характер и не содержали параметров, отражающих реальные свойства деформирующихся массивов пород.