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

При деформировании массива реализуется дискретный (толчкообразный) характер разрушения по поверхности среза [12]. За счёт неровных контактов на поверхности разрушения имеют место выступы, несущие повышенные нагрузки, и впадины, представляющие зоны разгрузки. Поэтомувпервуюочередьбудетпроисходитьсмятиеисрезвыступов, причем вначале этот процесс начнется в зонах предельного состояния, прилегающих к земной поверхности, и далее будет проникать вглубь земной коры. Следует ожидать, что этот процесс носит толчкообразный характер. За счёт того, что коэффициент трения покоя и движение при срыве спаек на контактных поверхностях различны, будет иметь место скачкообразное выравнивание поля напряжений на одних участках и резкие изменения на других.

Основные механические свойства массива и его моделей

Приведем ряд определений физики горных пород, которые лежат в основе расчётов геомеханического обеспечения.

Горные породы, слагающие земные недра, различают по их составу, механическим и физическим свойствам. Последние даже в однотипных по составу породах и грунтах сильно изменяются в определённых направлениях. Это различие делает массив неоднородным. Геомеханики для решения практических задач часто заменяют реальный массив с анизотропными свойствами моделью однородной среды с усреднением значений по всем зонам. Чаще всего резко различаются уголь/руда и вмещающие породы. Поэтому в расчётах обычно применяют модель массива с сочетанием двух типов свойств: уголь и вмещающие породы, руда и вмещающиепороды. Втехслучаях, когдадобычуугля/рудыведутсзакладкой, геомеханики вводят в расчёт третий тип свойств – закладку.

Модели грунтов – идеальное сыпучее тело и глинистые грунты, обладающие связностью.

21

Трещиноватость массива. Трещины, большое множество которых не позволяет учесть каждую в отдельности, дробят породы на обособленные блоки. Обычно для удобства раздробленный массив заменяют моделью сплошной среды. Крупные нарушения сплошности массива называют тектоническими разломами.

Деформируемость массива. Под воздействием внешних сил массив изменяет свои размеры и форму, вместе с этим оказывает сопротивление деформациям за счёт возникновения в нем внутренних сил – напряжений, которые бывают нормальные и касательные.

Деформации различают продольные и поперечные. Массив обладает упругостью, характеризующейся модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Проявлением упругих свойств является способность сплошных сред распространять упругие колебания. Упругие волны распространяются во всех скальных породах. Упругие волны быстро гаснут впеске, в глине. Модульупругоститрещиноватогомассивав несколькораз меньше, чем в образце.

С применением метода геодинамического районирования разработана классификация участков земной коры по степени их напряженности

(табл. 2.2).

22

При подземных горных работах в первом случае для расчёта напряжений применяют формулы Динника А.Н. и данные фирмы RMT (UK), во втором – зависимости Rummels'a, а для расчёта объемного напряженного состояния – соотношение для грунтов.

2.5. Теории особых горно-геологических явлений – ОГГЯ

ОГГЯ – внешняя форма существования физического процесса, обусловленная местной локальной неопределенностью геологического строения массива, приводящей к дезорганизации подземных работ.

Формы динамических явлений [3,15,13] Выделяют следующие формы проявлений ОГГЯ геомеханической

природы:

-провалы земной поверхности;

-карстоопасность, приводящая к деформированию фундаментов;

-удароопасность массива горных пород;

-выбросопасность (уголь, соль, породы);

-селеопасность;

-сейсмоопасность, воздушные удары.

23

Динамические проявления горного давления в рудниках и шахтах по мощности, интенсивности, характеру проявления и последствиям подразделяют на:

-горно-тектонические удары;

-горные удары;

-микроудары;

-стреляния;

-внезапные выбросы угля, соли, породы и газа.

Горнотектонический удар – мгновенное разрушение руды, угля, породы в глубине массива. Сопровождается сильным сотрясением массива, резким звуком, образованием пыли и возникновением воздушной волны. Влечет остановку работы шахты или рудника в целом.

Горный удар – мгновенное хрупкое разрушение целика или краевой части массива, проявляющееся в виде выброса угля, руды, породы в выработку с тяжелыми последствиями (нарушение крепи, смещение машин, механизмов, оборудования). Удар сопровождают резкий звук, сильное землетрясениегорного массива, образование большогоколичества пыли и возникновение воздушной волны. Приводит к остановке работы участка.

Микроудар – мгновенное хрупкое разрушение на контуре выработки или целиков с выбросом массы в горные выработки без нарушения технологического процесса (возможно локальное нарушение крепи). Сопровождается звуком, сотрясением массива и образованием пыли.

Толчок – хрупкое разрушение в глубине массива без выброса в выработку. Сопровождается звуком, сотрясением массива. Возможно появление пыли, заколов, обрушение отдельных участков выработок, шелушение на обнажении, образование трещин в бетонной крепи.

Стреляние – отскакивание от массива линзовидных пластин различных размеров с резким звуком.

24

К внешним признакам, характеризующим ударноопасное состояние массива горных пород, относят следующие формы динамического проявления горного давления:

Интенсивное заколообразование – возникновение заколов вслед за их оборкой. Происходит по ненарушенному массиву и не связано с трещиновитостью, слоистостью и шелушением. Сопровождается треском. Образующиеся и отделяющиеся при этом плиты повторяют по форме контур выработки.

Шелушение – разрушение выработки, заключающееся в отделении пластинок по её контуру.

Переход от одной формы динамического проявления горного давления к другой свидетельствует об изменении напряженного состояния массива. Условиями возникновения ударноопасных ситуаций являются следующие:

- способность массива к упругому деформированию и накоплению потенциальной энергии упругих деформаций;

-склонность руд, угля, пород к хрупкому разрушению;

-высокий уровень напряжений, действующих на контурах подгото-

вительных, нарезных и очистных выработок, в целиках месторождений или их части.

Состояния подразделяют на неопасное, склонное к горным ударам и опасное.

К склонным к горным ударам относят месторождения, в пределах которых имеются руды, породы, уголь с высокими упругими свойствами и хрупким характером разрушения. Способность массива горных пород накапливать упругую энергию определяет соотношение упругой и полной деформации в момент разрушения образца при сжатии. Руда, уголь, породы являются склонными к горным ударам, если упругие деформации в момент разрушения превышают 70% от полных деформаций.

25

Склонность пород к хрупкому разрушению устанавливают по соотношению модуля упругости Е с модулем спада М, который характеризует запредельные деформации разрушающейся породы. Склонными к удароопасности считают те, у которых М превышает Е.

Уровень действующих напряжений на контурах выработок и в элементах систем разработки определяется исходным напряженным состоянием массива (зависит от глубины горных работ), а также применяемой системой разработки, её конструкцией, техникой поддержания, параметрами и порядком ведения горных работ.

К опасным по горным ударам относят месторождения, на которых имеются склонные к горным ударам руды, уголь, породы, а действующие напряжения на контурах выработок, в конструктивных элементах системы достигают уровня, при котором возможно хрупкое разрушение, а системы поддержания не могут этому противостоять. Глубину, начиная с которой на месторождении появились горные удары, называют критической.

Внезапный выброс угля (породы) и газа – хрупкое разрушение угля (породы) в результате силового воздействия потенциальной энергии упругого деформирования породы (угля) и энергии свободного газа с выносом горной породы (угля) расширяющимся газом. Сопровождается глухими ударами, сотрясением массива, воздушной волной и заполнением горной выработки породой (углём).

Сдвижение горных пород и земной поверхности – их перемещение и деформирование в результате нарушения равновесного состояния пород под влиянием горных работ.

Обрушение пород – бурное проявление сдвижения в слоях, расположенных в непосредственной близости над выработанным пространством, с отрывом пород и разделением на куски и глыбы.

26

Отжим – сдвижение в призабойной части, которое характеризуется смятием и выдавливанием полезного ископаемого в выработанное пространство под действием веса налегающих пород. Сопровождается сдвижением пород в массиве и земной поверхности.

Выдавливание пород из массива в сторону выработанного пространства проявляется в виде пучения подошвы выработок.

Сползание пород – перемещение обрушающихся пород висячего крыла, а также нарушаемых пород лежачего крыла при разработке с обрушением кровли наклонных и крутопадающих залежей.

Энергетическая теория динамических явлений Энергетическую теорию горных ударов можно проде-

монстрировать на простом примере. При сжатии на прессе образца горной породы его разрушение происходит не только под действием нагрузки, но и за счёт того, что пресс, в результате противодействующих сил стремясь к восстановлению первоначальной формы, "наносит" вибрирующий удар по разрушающемому образцу. Именно аналогичные силы и деформации имеют место при разрушении целика, когда в почве и кровле его залегают мощные слои упругих пород. Разрушительную силу горного удара определяет коэффициент динамичности

где Wr – величина притока энергии извне;

Wp – энергия, необходимая для разрушения пород в очаге горного удара.

Горнотектонический удар – удар, вызванный приходом волны энергии от толчка (сотрясения) в массиве. Сотрясение может быть вызвано взрывными работами.

27

Горнотектонический выброс – выброс угля (породы) и газа, вызванный приходом волны сотрясения в массиве и представляющий собой процесс послойного разрушения от действия газового давления.

2.6. Теория релаксации блочного массива

Любое движение в массиве связано с колебаниями, режим которых занимает промежуточное положение между устойчивым состоянием и катастрофой. В процессе деформирования образца в испытательной машине выделяют три стадии: упругую, колебания, разрушение (катастрофа),

рис. 2.1.

Рис. 2.1 Процесс нелинейного деформирования образца под прессом

Геомеханическая релаксация блочного структурированного массива с горными выработками – толчкообразная реакция на внешний и внутренний энергообмен в виде сброса «избыточной» упругой энергии, накопленной на отдельных структурных элементах. При превышении избыточными напряжениями прочности среды по поверхностям ослабления блоков происходит их разгрузка. Режим релаксационных процессов (час-

28

тота актов и амплитуда сбросовых подвижек) зависит от свойств среды и параметров возмущений (взрывов, сейсмики, разгрузки). Релаксация сопровождается импульсными колебаниями(акустическаяэмиссия), которые можно регистрировать и по которым судят об образовании внутри активной зоны (кластера) начальных дефектов, объединяющихся в трещины, росте магистральной трещины и, наконец, о разрушении по контакту разлома (Аниколенко В.А., 1999г.).

Процесс накопления сейсмических событий в кластерах описывает логарифмическая зависимость от времени. Кумулятивное число горных и горнотехнических ударов, техногенных землетрясений прямо пропорционально времени наблюдений. Применяя компьютерную обработку результатов мониторинга массива и кинетическую зависимость процесса разрушения образца на гидравлическом прессе, технологи прогнозируют сейсмические явления на шахтах и рудниках, такие как: форшоки, шоки, афтершоки, миграцию очагов, сейсмическое затишье, сейсмические бреши. Защитные меры могут быть основаны на «уменьшении», «выжидании» затуханиясейсмоактивностиилина её«провоцировании». Впервомслучае следует переходить на безвзрывные или щадящие технологии с использованием электронного инициирования, на применение качественной закладки под обнажение подрабатываемого блока, а также к расчёту времени последнего афтершока. Во втором – следует производить мощную встряску массива (концентрированные до 700 т заряды ВВ), способную реализовать сейсмические события в сжатые сроки и обеспечить, например, безопасную годовую добычу руды [7].

2.7. Теории баланса нагрузок и их моментов

Геомеханическая система – массив горных пород определенной геометрии и структуры, флюиды, несущие элементы горной конструкции и действующие внешние факторы.

29

Под влиянием последних структурированный массив может испытывать как поступательное, так и вращательное движение. Чтобы система находилась в равновесии (устойчивое состояние), необходимо выполнение условий:

-равнодействующая всех оказывающих влияние на массив сил равна нулю;

-сумма моментов сил равна нулю:

30