Материал: Engineering Geology of MD

удары в выработках, располагающихся в удароопасных породах, подстилаемых или перекрывагощихсд более слабыми, пластичными породами, склонными к выдавливанию. В таких условиях при перераспределении напряжений возникает хрупкий разрыв, разлом горных пород, т. е. горный удар.

Во всех трех случаях горные удары захватывают массы горных пород, прилегающих к контурам выработок очистных, подготовительных или капитальных, краевым частям пласта, толщи, зоны, а также залегающих в целиках, оставленных в выработанном пространстве да удалении от участков ведения горных )абот, или даже в целиках ранее отработанных горизонтов. Разрушение горных пород может захватить не только область забоя и бортов выработок, но их почву и кровлю.

Следовательно, при оценке и прогнозе динамических явлений, как и любых других, важно учитывать как геологические, так и горнотехнические условия и различать вид, силу (категорию) и место образования этих явлений. Естественно, что первостепенное значение имеет также прогноз времени их образования. Несмотря на то, что горные удары как вид геологических явлений получают распространение и развитие в определенных геологических условиях, изучены они в этом плане в самых общих чертах и с неодинаковой детальностью определяющих их факторов.

Основными геологическими условиями, определяющими развитие горных ударов, является геологическое строение рассматриваемого участка месторождения или шахтного (рудного) поля, характеризующееся наличием в геологическом разрезе однородных и достаточно мощных удароопасных слоев, толщ или зон полезного ископаемого или вмещающих пород с определенными показателями физико-механических свойств, сильная тектоническая их нарушенность и высокое или избыточное естественное напряженное состояние.

Удароопасность повышается на больших глубинах, причем критическая глубина их возникновения, т. е. Н>ксяи1Ку, неодинакова для разных горных пород, типов полезного ископаемого и их физического состояния. Перечни пластов угля, а также рудных и нерудных теЛ'На разных месторождениях, склонных к динамическим явлениям в зависимости от глубины их распространения, механических свойств и условий возникновения большого опорного давления, приведены в ряде работ [Бич Я. А., 1962 г.; 13, 141.

При оценке влияния свойств горных пород, руд и угля на развитие горных ударов важно обращать внимание на их петрографические особенности и физическое состояние. Известно, например, что прочность и хрупкость горных пород возрастают с увеличением содержания в их составе прочных и хрупких минералов (кварца и др.), при наличии в сцементированных породах прочного цемента и более совершенного характера их цементации, при повышении степени метаморфизма каменных

187

углей. Угли считаются склонными к хрупким формам разрушения, если они крепкие и при бурении выход керна составляет 85—100 % и он представлен столбиками и крупными кусками с раковистым изломом, разламывается на куски, ограниченные слоистостью и трещинами, устойчив к механическим воздействиям, не осыпается. Бурые угли считаются опасными, если они склонны к хрупкому разрушению.

При характеристике и оценке физического состояния горных пород и полезного ископаемого, особенно углей и некоторых разностей глинистых пород, важно учитывать значения их пористости, скважности и влажности, так как в условиях естественного залегания они могут рассматриваться как определейные фазово-физические системы. Исследованиями, выполненными главным образом Б. Т. Акиньшиным (ВНИМИ), установлено, что фазово-физические свойства горных пород и углей контролируют их склонность к динамическим и газодинамическим явлениям. При этом он использовал следующие основные показатели физического состояния и свойств горных пород и углей: естественную влажность W, максимальную гигроскопическую влажность Wmp, характеризующую их гигроскопические свойства; степень влажности, или коэффициент водонасыщения G, характеризующий степень заполнения пор и пустот водой, и коэффициент относительного содержания гигроскопической воды Gut, характеризующий степень заполнения пор и пустот гигроскопической водой.

Б. Т. Акиньшиным также установлено, что с увеличением значений W^r и (7„г и соответственно с уменьшением в породе количества переходных пор и макропустот повышаются прочность пород и углей, их крепость, хрупкость и модуль упругости, т. е. значения показателей, существенно определяющих образование горных ударов. Поэтому по сопоставлению естественной влажности пород W, G с их и (?мг можно судить об удароопасной обстановке в горных выработках. Чем меньше естественная влажность горных пород и углей и степень их водонасыщения, тем больше опасность образования горных ударов. Так, например, многочисленные наблюдения показали, что хрупкое разрушение бурых углей наступает при степени водонасыщения, равной 0,80—0,85, а каменных углей и антрацитов— равной уровню их максимальной гигроскопичности, т. е. при условии W m t ^ ^ J ? ; у пластов, опасных к горным ударам, Смг^0,6; у типично опасных Сш.^0,8, и степени естественного водонасыщения, не превышающей 0,30—0,35. Следовательно, водоносные или искусственно обводняемые горные породы и угли утрачивают способность к хрупкому разрушению, к возникновению в них динамических явлений.

Для развития горных ударов и других динамических явлений решающее значение имеют механические свойства полезного ископаемого и вмещающих его горных пород, обусловленные их образованием и последующим существованием на рассматри-

188

ва.емом участке месторождения, рудного поля, бассейна, земной коры. Многочисленные наблюдения показывают, что горные удары возникают в породах, рудах и углях относительно твердых, высокой и относительно высокой степени литификации, обладающих сравнительно высокой плотностью, прочностью и хрупкостью, умеренной текучестью, но склонных к хрупкому разрушению, в которых скорость релаксации напряжений пониженна. Горные породы (особенно основной кровли), угли и руды, обладающие совокупностью перечисленных свойств, в оп-

рость пластической деформации [38], т. е.

(максимальная) скорость релаксации напряжений пород и полезного ископаемого на данном участке.

Хрупкое разрушение горных пород, а следовательно, и горные удары возможны при условии, когда Важно отметить, что это может быть вызвано как возрастанием вертикальной нагрузки при увеличении глубины горных выработок, так и быстрым уменьшением боковой нагрузки при вскрытии и разработке пород и полезного ископаемого и их разгрузке.

Р. Квапил H96I г.] характеризует этот процесс следующим образом. С точки зрения теории упругости и теории прочности для породы, в которой возникает горный удар, характерно, что запаздывание деформаций приводит к неустойчивому ее внутреннему равновесию. С точки зрения теоретической и прикладной механики горный удар возникает только в случае опережения напряжения по отношению к деформации в определенном участке земной коры и характеризуется мгновенным переходом потенциальной энергии в работу при напряжении выше предела упругости породы. Когда запаздывающая деформация достигает предела упругости, а напряжение находится выше него, горная порода приобретает свойство хрупких тел, Р. Квапил также подчеркивает, что разрушение горных пород и место горного удара обусловлено не приростом напряжений, а освобождением их от напряжений, что приводит к мгновенному переходу накопленной потенциальной энергии в работу за пределом упругости и прочности породы.

На рис. VI-12 показан механизм образования горных ударов 138]. В горных породах на глубине образовалась зона В шириной I с высоким напряжением пород, деформация которых

189

уравновешивается породами зон £ и Л В этих периферийных частях породы оказывают сопротивление действующим напряжениям зоны В вследствие трения и сцепления по поверхностям слоистости и другим поверхностям ослабления, а также вследствие их защемления (сдавливания) боковыми породами. Если напряжения в зоне В превышают сопротивление периферийных зон, происходит перемещение пород, и наиболее легко в сторону выработанного пространства. Когда напряжение в зоне В оказывается достаточно высоким, происходит быстрое хрупкое разрушение пород и их лавинное перемещение в горную выработку, т. е. образуется горный удар, который сопровождается сотрясением масс горных пород в окружающем геологическом пространстве и другими явлениями, характерными для них.

Длительность процесса хрупкого разрушения пород при горном ударе изменяется от долей секунды до 2—3 с. Сейсмическая энергия горных ударов измеряется несколькими джоулями при стрелянии горных пород, до Ш'' Д ж и более при сильных и катастрофических горных ударах. Следовательно, накопленная потенциальная энергия в горных породах зоны В (очаг опасного явления) при горном ударе преобразуется в другие виды энергии (тепловую, сейсмическую и др.) и сопровождается работой разрушения, перемещения, сотрясения горных пород и др.

Г. Л. Фисенко 156], исследуя условия развития горных ударов, отмечает, что относительная их сила может характеризоваться шириной и мощностью зоны пород и полезного ископаемого, находящихся в предельно напряженном состоянии. Чем больше эта зона, тем больше накапливается в ней потенциальной энергии и тем большая ее часть расходуется на развитие горного удара.

На рис. VI-13 показаны графики изменения напряженного состояния горных пород и полезного ископаемого при их разработке. На глубине Hi предельное напряжение возникает только на обнаженной их поверхности, по которой и происходит хрупкое разрушение пород в виде откалывания (стреляния) пород, первого признака возможного образования горных ударов. На глубине //а в предельное состояние приходят горные породы и полезное ископаемое в зоне шириной I. Их разрушение может приобрести характер горного удара малой и средней силы. На

1 90

Рис, Vl-13. Графики изменений напряженного состояния горных пород и полезного ископаемого при разработке (по Г. Л. Фисенко, в несколько измененном виде).

горных пород достигают значительных размеров, при этом их разрушения обычно приобретают лавинообразный характер ^горный удар большой и очень большой силы).

Таким образом, опасность горных ударов на шахтах и рудниках возникает не сразу. Вначале появляются лишь отдельные признаки — толчки, стреляние пород и угля, их шелушение и др. По мере увеличения глубины разработки, а также в результате неправильного ведения горных работ с точки зрения удароопасности (работа встречными и догоняющими забоями, оставление большого числа целиков и др.) опасность возрастает. Сначала возникают небольшие горные удары, а затем по мере развития очистных работ начинают происходить горные удары большой

ное значение имеют структурно-тектонические условия месторождений, от которых, как правило, зависят повышенные значения плотности и прочности пород и руд, и метаморфизм углей, а также высокое и избыточное их естественное напряжение. Динамические явления распространены главным образом в складчатых областях, в пределах сводов и крыльев крупных антиклинальных и синклинальных складок, осложненных склад-

191