Геомеханические процессы при подземных разработках. Практикум

Динамические явления – наиболее опасная форма проявления горного давления. Они возможны только при одновременном выполнении двух условий:

1)если в массиве действуют высокие напряжения;

2)если породы, слагающие массив, обладают свойством накапливать упругую энергию при деформировании [3].

К динамическим явлениям относятся [4]:

– горные удары;

– внезапные выбросы угля (породы) и газа;

– внезапные выдавливания угля;

– внезапные динамические разрушения пород почвы. Горные удары и внезапные выбросы породы (угля) и газа (да-

лее – внезапные выбросы) являются наиболее опасной формой динамических явлений.

1.2.1. Горные удары

Горные удары представляют собой лавинообразные процессы хрупкого разрушения (трещинообразования) пород в том или ином объеме массива [5].

Практика показывает, что вероятность горных ударов увеличивается при ведении горных работ в особо сложных условиях (опасных зонах):

1)на «больших» глубинах;

2)при разработке участков месторождения, испытывающих повышенное горное давление:

– в результате отработки оставленных целиков;

– при ведении горных работ встречными и догоняющими забоями;

– при проведении передовых выработок;

– при проведении выработок в зонах влияния очистных забоев;

– при горных работах в сближенных пластах;

– в зонах тектонических нарушений.

В настоящее время для описания горных ударов применяются три классификации: 1) по механизму и масштабу проявления; 2) количеству выделяющейся при событии сейсмической энергии и 3) месту возникновения события [5]. Классификации горных ударов представлены на рис. 1.3.

11

12

Рис. 1.3. Классификации горных ударов

Согласно [4] признаками горного удара являются:

–мгновенное разрушение целика или краевой части угольного пласта и вмещающих пород в забое или в целике;

–резкий звук;

–образование ударной воздушной волны в горной выработке

исейсмических волн в массиве горных пород;

–отброс или выдавливание угля с преобладанием крупнообломочной фракции;

–образование щели между угольным пластом и породами кровли;

–образование пыли;

–разрушение (сдвиг) крепи горной выработки, машин, оборудования;

–повышенное газовыделение на газоносных пластах.

На рис. 1.4 показаны последствия горного удара с разрушением капитальной выработки.

Рис. 1.4. Последствия горного удара в капитальной выработке (Источник:https://rg.ru/2018/01/24/reg-urfo/na- izumrudnom-rudnike-proizvodstvo-berilliia.html)

ВАЖНО! Горному удару предшествуют следующие события:

– повышенное горное давление на крепь горной выработки;

13

–удары, трески, толчки в массиве горных пород различной силы и частоты;

–стреляние отслоившихся кусков угля (породы);

–повышенный выход буровой мелочи и зажатие бурового инструмента.

Важнейшими факторами, определяющими возможность возникновения удароопасных ситуаций, являются: способность массива горных пород к упругому деформированию и накоплению потенциальной энергии упругих деформаций; склонности пород к хрупкому разрушению; высокий уровень напряжений, действующих на контурах подготовительных, нарезных и очистных выработок, в целиках [2].

Перечисленные факторы носят природный и техногенный характер и напрямую зависят от геологического строения месторождения, физико-механических свойств пород, исходного напряженного состояния массива, наличия поверхностей ослабления, глубины залегания полезного ископаемого рельефа местности (природных факторов), а также системы разработки, способа проведения горных выработок, их пространственной ориентации, величины отставания крепи от забоя, способов управления кровлей (крепление, обрушение, закладка или поддержание выработанного пространства целиками), скорости продвижения очистного забоя, размеров выработанного пространства, производства взрывных работ, близости зоны опорного давления, взаимного влияния горных выработок, ведения работ под целиками в сближенных пластах (технологические факторы) [5; 6].

В виду большой сложности и разнообразия условий динамических явлений всесторонне развитая теория условий возникновения динамических проявлений горного давления пока отсутствует. Достоверно изучены лишь факторы, приводящие к возникновению динамических форм проявления горного давления, о механизме же знания малы и пока не выходят за рамки гипотез.

Наиболее обоснованную теорию, в виде двух принципиальных положений относительно механизма горных ударов, сформулировал профессор И.М. Петухов:

1. Горный удар является следствием нарушения равновесия всей системы «блок породы – полезное ископаемое».

14

2. 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.

Данные положения объясняют возникновение горных ударов в слабых и обводненных породных массивах.

Изучение случаев динамических явлений позволило выявить фазы развития горного удара [6]:

1)фаза, предшествующая горному удару, – система горных пород достигает такого напряженно-деформированного состояния, при котором становится возможным переход отдельных ее участков в предельное состояние;

2)фаза потери устойчивости – в месте разрушения реализуется условие мягкого разрушения;

3)распространение волн динамического разрушения – спонтанное разрастание очага разрушения пород и его затухание.

От 80 до 90% горных ударов провоцируется взрывными работами во время проведения массовых и технологических взрывов

вмассиве, находящемся в предельном состоянии, где значения напряжений приближены или выше предела прочности горных пород [6].

Установлено, что динамические явления с высоким энергетическим классом, которые происходят в глубине массива, являются в основном следствием мгновенного образования протяженной трещины в монолитном, крепком, ненарушенном массиве горных пород.

Наиболее опасной становится ситуация, когда в зону концентрации напряжений попадает геологический разлом, – в этом случае может возникнуть удар горно-тектонического типа, физическая природа которого аналогична природным землетрясениям. Нормальные напряжения, держащие разлом в равновесии, ослабевают, происходит сдвиг, сопровождающийся сильным сотрясением массива, резким звуком, образованием пыли и воздушной волны. Выделяется сейсмическая энергия от 106 до 109 Дж. Горно-тектонические удары относятся к ударам регионального типа, при которых в выработках возникает множество вторичных очагов разрушений на участках ослабленных зон, контактах тектонических нарушений и дайковых тел, в то время как при локальных ударах очаг разрушения один [6].

15

1.2.2. Внезапные выбросы

Внезапные выбросы относятся к газодинамическим явлениям, происходящим при ведении горных работ в газоносных пластах и породах при высоких действующих напряжениях. Характеризуются быстроразвивающимся разрушением призабойного участка массива подготовительных и очистных выработок с отбросом (смещением) горной массы и выделением газа в горную выработку.

Согласно [4] признаками внезапного выброса при разработке угольных месторождений являются:

–быстропротекающее разрушение призабойной части угольного пласта;

–отброс угля от забоя на расстояние, превышающее протяженность возможного размещения его под углом естественного откоса, а породы – отброс от забоя и дробление значительной ее части до размеров крупнозернистого песка;

–образование в угольном пласте полости, ширина которой меньше ее глубины (рис. 1.5);

–относительное газовыделение из разрушенного угля превысило его природную газоносность;

–воздушный толчок и звуковые эффекты;

–повреждение и отброс оборудования;

–наличие тонкой угольной пыли на откосе выброшенного угля и на крепи.

ВАЖНО! Внезапному выбросу угля и газа предшествуют следующие события:

–удары, трески в массиве горных пород;

–выдавливание и высыпание угля из забоя, отслаивание кусков угля от забоя;

–вынос буровой мелочи и газа при бурении;

–выталкивание или втягивание бурового инструмента, его зажатие;

–уменьшение прочности угля, изменение его структуры;

–шелушение забоя.

Внезапному выбросу породы и газа предшествуют следующие события:

–повышенное дробление пород при ведении взрывных ра-

бот;

–увеличение коэффициента использования шпуров.

16

Рис. 1.5. Схема внезапного выброса при вскрытии угольного пласта: 1 – угольный пласт; 2 – разрушенные уголь и вмещающая порода; 3 – языкообразная полость в призабойном пространстве

При обнаружении признаков, предшествующих внезапным выбросам, все работающие должны быть немедленно выведены из выработки. Дальнейшее ведение работ может быть возобновлено по письменному разрешению технического руководителя шахты.

Из существующих теорий о причинах и механизме внезапных выбросов в результате проведения многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, а также многочисленных натурных наблюдений, наибольшее подтверждение получила энергетическая теория внезапных выбросов В.В. Ходота.

Согласно данной теории внезапный выброс является следствием скачкообразного изменения напряженного состояния участка массива полезного ископаемого или вмещающих пород вследствие механического воздействия на массив (рабочих органов машин, при ведении буровзрывных работ, обрушении зависших пород), подхода выработки к тектоническому нарушению, вскрытия забоем выработки пласта или слоя, резко отличающегося по своим деформационным и прочностным свойствам.

Таким образом, внезапный выброс при склонности слоев угля (руды) и пород к динамическим явлениям может произойти

17

вследствие взаимного негативного влияния следующих факторов (рис. 1.6):

1)уровня действующих напряжений на участке проведения горной выработки (природное поле напряжений, наличие тектонических нарушений, опорное давление от влияния пройденных горных выработок);

2)возникновения области опорного давления впереди движущегося забоя;

3)механического воздействия на забой или вблизи него;

4)наличия газа в угле (породе).

Рис. 1.6. Взаимное влияние факторов, приводящих к внезапным выбросам: 1 – вмещающая порода (газонасыщенная); 2 – газонасыщенный угольный пласт; 3 – высокий уровень действующих в массиве напряжений; 4 – область опорного давления впереди забоя; 5 – производство горных работ в призабойном пространстве

При этом в процессе выброса угля (пород) и газа выделяются три фазы развития:

1.Начальное разрушение массива в призабойной зоне при механическом воздействии на забой. Происходит вследствие внезапного прироста напряжений.

2.Увеличение давления газа на разрушающийся массив и начальный отброс угля. Происходит за счет увеличения выхода газа из пор и его скопления в трещинах при начальном разрушении массива.

18

3. Увеличение десорбции газа при разрушении массива, расширение газа и вынос измельченного угля (породы) в выработку.

1.2.3. Предупреждение динамических проявлений горного давления

Предотвращение динамических явлений при ведении горных работ включает в себя:

1)производство своевременного и полного прогноза динамических проявлений горного давления;

2)управление горным давлением в виде разработки способов ведения горных работ, исключающих действие высоких напряжений в зоне ведения горных работ или целенаправленное изменение прочностных и деформационных свойств породного массива в целях предотвращения накопления упругих деформаций.

Методы прогноза и управления горным давлением при предупреждении горных ударов и внезапных выбросов базируются на одних и тех же принципах, так как эти явления близки по своей природе [3].

Прогноз динамических явлений необходимо начинать на самых ранних стадиях освоения месторождения и проектирования горнорудного предприятия. Это позволит правильно спланировать технологию отработки месторождения, предупредив динамические явления и повысив безопасность и эффективность ведения горных работ.

Прогноз динамических явлений предусматривает:

1)выявление ударо- и выбросоопасных горных пород и определение «опасных» глубин, с которых горные породы становятся опасными;

2)определение участков массива, где возможны динамические проявления горного давления;

3)предсказание времени проявления динамических явлений. Сточки зрения возможности происхождения горных ударов и

внезапных выбросов массивы горных пород разделяются: на неопасные, склонные и опасные.

Участки, неопасные по динамическим явлениям, – это участки массива, на которых методами проведения прогноза установлено, что на них исключена возможность проявления динамических явлений. При этом сохраняется необходимость прогноза динамических явлений.

19

Участки, склонные к динамическим явлениям,– участки массива, в пределах которых горные породы обладают высокими упругими свойствами и склонны к хрупкому разрушению: происходили стреляние пород, интенсивное заколообразование, толчки или горные удары на соседней шахте (руднике) или в аналогичных условиях.

Участки, опасные по динамическим явлениям, – участки массива с высоким уровнем действующих напряжений, при которых возможно хрупкое разрушение горных пород; в пределах в которых происходили динамические явления: прогнозом (локальными методами) при определении степени удароопасности выявлена категория «опасно».

ВАЖНО! Участки массива, опасные по динамическим явлениям, должны быть приведены в неудароопасное состояние. До приведения участка в это состояние на нем запрещается вести горные работы и передвигаться по горным выработкам, попадающим в опасную зону.

Выявление ударо- и выбросоопасных слоев и зон пластов, потенциально опасных по динамическим явлениям, производят на стадии разведки региональным прогнозом. Исходными данными для этого служат результаты лабораторных исследований физических, фазово-физических, прочностных свойств горных пород, геодинамического районирования месторождения.

Как уже отмечалось, склонность пород к динамическим проявлениям горного давления определятся высокими упругими свойствами и хрупким характером разрушения.

Данные свойства определяются при лабораторных испытаниях кернов на одноосное нагружение образцов по зависимости «нагрузка – деформация» (рис. 1.7). Для фиксирования деформации образца за пределом прочности (в целях определения модуля спада M) испытания проводятся на прессах повышенной жесткости, не способных накапливать упругую энергию и передавать ее образцу во время его разрушения.

Для пород, склонных к горным ударам и внезапным выбросам, характерна прямолинейная зависимость деформаций от приложенных нагрузок (т.е. деформирование подчиняется закону Гука). Стадия пластических деформаций почти отсутствует (см. рис. 1.7), а доля упругих деформаций достигает 70% от суммарных деформаций, определяющих предел прочности породы.

20