Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

ния работа добычной, проходческой или другой вибрирующей техники либо проведение промышленных взрывов. Подбрасывание угольного добычного комбайна наблюдали на шахте «Распадская», на руднике Баренцбургского ГТ «Арктикуголь», на шахте «Первомайская» Луганской области. При взрывных работах, создающих колебания, близкие по частоте к значению собственной частоты в инфразвуковом диапазоне соответствующей геологической структуры, амплитуда упругих колебаний в слое напряженной породы увеличивается до значения, при котором происходит резкое, удароподобное проседание этой структуры, что и воспринимается как разрыв сплошности или как горный удар (Денисов Д. М., 2001).

Перспективны в таких ситуациях методы разгрузки массива от горного давления, переход на безвзрывные технологии, применение замедлений при массовых взрывах 0,1 мс.

2.2. Глобальный тектогенез

Согласно гипотезе академика О. Ю. Шмидта наша планета появилась 4,5 млрд. лет назад из пылевых облаков. Под действием сил взаимного притяжения космическая пыль сгустилась в шаровидное образование. Давление и температура в процессе вращения в нем повышалась. На глубине 200-400 км началось плавление вещества в жидкую магму. Движущийся вокруг своей оси земной шар постепенно разделился по плотностям на концентрические слои. Самые легкие породы с минералами поднялись на поверхность и образовали земную кору. Самые плотные и тяжелые – железо, никель, хром – опустились к центру планеты и сформировали ядро.

По одной из теорий выделяют три главных слоя Земли: земную кору из самых легких пород с грунтами; частично расплавленную более плотную мантию; внешнее и внутреннее ядро очень большой плотности, способное к перемещению под действием космических сил. Такая модель

11

напоминает яйцо, внутри которого расположен желток, способный перемещаться. Существует и другая теория образования планеты, согласно которой из белой дыры происходил выброс энергии и вещества. Общим для этих теорий является наличие в центре Земли раскалённых масс. Земная кора, покрывающая всю поверхность, расчленена на крупные плиты и жесткие блоки литосферы, которая включает земную кору и верхнюю часть подстилающей её мантии. Литосферные плиты за счёт перемещения ядра взаимодействуют между собой. На границах океанов и континентов более тонкие океанологические подминаются под более мощные и старые континентальные слои. Плиты могут расходиться, образуя зоны горизонтального растяжения. При встречном движении они сталкиваются друг с другом, образуя зоны горизонтального сжатия. В зонах растяжения растительные поверхностные слои мигрируют на глубину, образуя угольные месторождения. В зонах сжатия по трещинам за счёт смятия магма прорывается к поверхности. При изменении направления движения плит происходит смена знака зон, а также появляются залежи с различными углами падения. Энергия, заключенная в недрах планеты, проявляется в таких катастрофических процессах, как извержения вулканов и землетрясения, а также изменения положения магнитного поля и полюсов. Они связаныстакназываемымитектоническимидвижениями – непрерывными, очень медленными (сантиметры и миллиметры в год) плавными перемещениями плит, несущих на себе океаны и континенты.

Т е о р и я г л о б а л ь н о г о т е к т о г е н е з а – гипотеза непрерывного процесса кристаллизации/плавления мантийного расплава на контакте литосферы с частично расплавленной мантией в процессе реакций в центре Земли. Процесс кристаллизации магмы способствует дисбалансу подъемных сил (Архимеда), ответственных за формирование региональных полей напряжений, приводящих к тектоническим коллизиям (столкновения, сотрясение, взаимодействие противоположных сил текто-

12

нических плит/материков). Это приводит к действию гравитационных и тектонических сил. Свою роль проявляет также эффект вращения Земли и перемещение внутреннего ядра.

Под влиянием тектонических процессов имеют место катастрофы на поверхности Земли в виде: изменения климата, землетрясений, наводнений, вихре- и торнадообразования, цунами, циклонов и антициклонов, электрических разрядов, выделения гелия или радона. Эти катастрофы оказывают своё влияние и на подземные горные работы.

Техногенная катастрофа геомеханической природы – процесс в системе, обусловленный потерей её устойчивости и сопровождающийся сильным негативным эффектом (остановка горного производства, человеческие жертвы, поломка оборудования).

Рассмотрим процесс образования блоков. Магматические породы содержат много кварца, который имеет 4 модификации при температурах в диапазоне 573 °С - 4470 °С. При модификационных превращениях кварца происходит скачкообразное дискретное его деформирование с увеличением коэффициента объемного расширения и со снижением модуля упругости. Однако произведение этих величин увеличивается, приводя к большим термическим напряжениям в вертикальной плите, образуемой двумя восходящими потоками горячей магмы (плюмы). В плите возникают растягивающие напряжения, которые разрывают плиту горизонтальными трещинами. Таким образом, литосферные плиты со временем представляют собой систему отдельных блоков. Смещение нижележащих блоков под действием конвективных потоков магмы приводит к колебанию, проскальзыванию, раскачиванию, разломам вышележащих блоков. Вибрирующая система блоков является триггером сейсмичности земной коры, аварий, катастроф и чрезвычайных ситуаций геомеханической природы на шахтах, рудниках, в тоннелях, в массиве с подземными трубопроводами,

13

хранилищах, основаниях и фундаментах наземных сооружений, на железных дорогах, при газо- и нефтепромыслах.

Следует отметить, что за счёт разных расстояний между границами раздвига по объему Земли значения горизонтальных напряжений будут неравнокомпонентными. Образовавшиеся отдельности в литосфере по картам масштаба имеют деление, приведенное в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Геодинамическое районирование литосферных плит

(И. М. Батугина)

С применением принципа «от общего к частному» (по картам) появляется возможность судить о напряженных и разгруженных зонах, о региональных и локальных тектонических деформациях и напряжениях, а также о газогидродинамическом состоянии массива.

2.3. Геоопасные массивы и техногенные пространства

При освоении газовых и нефтяных месторождений, эксплуатации протяженных трубопроводов и железных дорог, подземных сооружений, емкостей-хранилищ участились случаи возникновения геодинамических

14

опасностей с проявлением горизонтальных сил. С возрастанием глубин разработки действие сил увеличивается. Природная система представляет собой объективное единство и взаимодействие элементов блочной структуры земной коры, её напряженно-деформированное (НДС) и газогидродинамическое состояние (ГГС). Техногенная система – единство и взаимодействиеэлементов, явленийипроцессовпритехногеннойдеятельности в земной коре, находящихся в определенных связях по воле человека. Для их прогноза и предотвращения создано новое научное направление.

Геодинамика недр – единство природной и техногенной систем, рассматриваемое с позиций обеспечения максимальной геодинамической безопасности при освоении недр и территорий, которые покрывают сейсмически активные регионы земной коры. Эти системы в определенных условиях обусловливают наличие геоопасных массивов и техногенных пространств.

Геодинамика – наука о движении и смещениях, происходящих в земной коре, мантии и ядре. При этом время действия последних соизмеримо с длительностью самого процесса наблюдений (Ю.О. Кузьмин, 1999). Геодинамические процессы техногенного генезиса – процессы как природного, так и техногенного происхождения. Основные природ- но-техногенные явления геодинамики – деформационные, сейсмические, флюидо-геохимические в недрах и взаимосвязанные с ними вариации, происходящие с физическими свойствами горных пород. Изучают влияние на физические свойства скоростей и продолжительности деформирования, состояние горных пород, влагонасыщенность, изменения физических свойств материала горных пород при различных НДС, соответствующих современному аномальному геодинамическому состоянию недр.

В природных условиях время подготовки небольших разрывов вмассиве составляет10-1000 суток, адеформации– 10-3-10-4. Акустическая эмиссия изменяется в пределах 100 кГц - 1МГц.

15

Различают следующие стадии смещений при отработке: обширные просадки территорий до 1,5 метров и техногенные просадки, а также тех- ногенно-индуцированная сейсмичность с магнитудой М = 2-4, активизация разломных зон (подвижки по разломам).

Шахтеры, горняки и строители ощущают на себе современные тектонические процессы в виде действия в массиве горных пород и грунтов горизонтальных тектонических напряжений и сейсмики. Признаки действия в массиве высоких тектонических напряжений и сейсмики:

-хрупкое разрушение прочных пород в выработках;

-образование откольных явлений со стороны действия сейсмики;

-локализация разрушений в кровле и почве выработок (кровля выработок после разрушения приобретает характерную форму шатрового свода);

-образование трещин по контуру выработки под воздействием взрывных работ;

-связь устойчивости кровли выработок с направлением их проходки;

-более высокая устойчивость выработок в менее прочных и более напряженных породах;

-повышение устойчивости кровли выработок по мере увеличения их пролета;

-при разработке месторождений в гористой местности наблюдают резкий рост проявлений горного давления при опускании ниже дна долины;

-толчкообразное проскальзывание блоков под линейными объектами (тоннелями, подземными хранилищами и трубопроводами);

-разрушение высотных строений при действии на их фундамент

сейсмики.

Величину и направление действия тектонических напряжений определяют с помощью специальных измерений. Такие экспери-

16

менты проводят во всем мире. Результаты этих измерений наносят на планы горных работ и учитывают при отработке, проходке, строительстве горных выработок. Напряжения различают начальные и техногенные.

Измерениями установлены следующие закономерности начальных тектонических напряжений:

-величины начальных горизонтальных тектонических напряжений могут превышать вертикальное гравитационное давление налегаю-

щей толщи пород γH в 37 раз;

-максимальная составляющая начального тектонического напряжения

до отработки вертикальной горизонтальной залежи направлена по простиранию, при отработке составляющая техногенного напряжения – против;

-тектонические напряжения в массиве горных пород распределяются неравномерно: даже в пределах одного месторождения могут встречаться участки с высоким и низким уровнями горизонтальных напряжений;

-величины горизонтального сжатия массива в разных направлениях в плане могут различаться в несколько раз.

Таким образом, природное напряженное состояние массива определяется независимым действием двух активных сил:

-гравитации, создающей вертикальное давление собственного веса толщи пород γH и горизонтальные напряжения бокового распора, не превышающие 25% от вертикальных в делювие и равные 100% в алювие;

-горизонтальные тектонические напряжения, неравномерно распределенные по площади и по направлениям действия в плане.

17

2.4. Теории начального горного давления

Вспомним ряд положений геомеханики, которые являются исходными для усвоения дисциплины геомеханического обеспечения [17].

До начала горных работ на месторождении массив уже находится внапряженномсостоянии, котороеназываютначальным. Отначального состояния зависят все проявления горного давления (формы, локализация, масштаб).

Главные нормальные напряжения подразделяют на σ1 – максимальное, σ2 – промежуточное, σ3 – минимальное. Источником природных напряжений в массиве являются два независимых фактора:

-силы собственного веса пород (гравитация);

-тектонические процессы в массиве.

Вземной коре одно из главных напряжений является вертикальным, обусловленное силой тяжести, создаваемой земным тяготением. Второе и третье главные напряжения называют горизонтальными. Величина напряжения равна:

Для частного случая, когда грунты и соли имеют коэффициент μ = 0,5, по всем направлениям давление в массиве одинаковое (гидростатиче-

18

ское). С учетом уровня тектонических напряжений λ может быть больше или меньше 1. Коэффициент бокового распора всегда меньше 1.

Участки земной коры по напряженности выделяют на основе учёта активности горизонтальных сил.

В районах с отсутствием активных горизонтальных сил массив находится в зонах растяжения и напряженное состояние оценивают по фор-

ние по теории А. Н. Динника.

Для угольных месторождений Европы ф. RMT (Англия) до глубин

напряжений основан на концепции о предельно-напряженном состоянии массива горных пород. Горизонтальное сжатие земной коры создает условиедля деформированияеёчасти, прилегающейкземнойповерхности, и установлению предельно-напряженного состояния в массиве горных пород. Это означает, что максимальную составляющую напряжений в массиве образует активная сила, действующая в горизонтальной плоскости.

19

Напряжения в кристаллических породах на глубинах 500м и более целесообразно рассчитывать по апробированной формуле Rummels’а (США):

иминимальная составляющие естественных напряжений, МПа;

Н– глубина, м.

Средние горизонтальные напряжения, необходимые для сдвига, должны удовлетворять условию паспорта прочности (условие Кулона – Мора):

где τП и σП – касательные и нормальные напряжения на площадке среза;

где σв – вертикальные напряжения, действующие на площадку среза

вданной точке;

С– сцепление;

φ – угол внутреннего трения.

20