рождении угля, лежат в пределах от 14 до 17%. На участках^ старой проходки, подверженных выдавливанию, примерно после 12 месяцев их эксплуатации среднее значение влажности глин было равно 19 %при предельных значениях от 16 до 23%.
Изменение влажности глин с глубиной на участках, подверженных деформациям, показано на рис. VI-IO. Сравнивая
влажность |
тлин с типичной естественной, можно заключить, |
|
что |
в глинах непосредственной почвы она повысилась на 2— |
|
5 % |
после |
12 месяцев эксплуатации выработки, причем это из- |
•менение распространилось до глубины 0,7—0,85 м. Аналогичных гримеров изменения влажности глин в шахтах, подобных району Нелидово, известно много, и все они показывают, что это явление —следствие изменений окружающей обстановки и естественных условий залегания глин.
Специальные измерения горного давления в выработках Нелидовской шахты, выполненные С. М. Шайтановым, пока-
зывают, что |
со |
стороны почвы давление достигает 0,8 |
МПа, |
||
а со стороны кровли |
0,4—0,5 МПа. Горное давление со сто- |
||||
роны почвы |
усилилось почти |
на то же значение, которое было |
|||
определено |
нами |
для |
силы |
набухания глин 0,25—0,35 |
МПа |
(гл. IV). |
|
|
|
|
|
Итак, изучение вещественного состава глин, их физического состояния, размокаемости, набухаемости и изменения при этом их прочности, а также поведения в горных выработках, характера деформаций выработок и крепи показывает, что пучение глин связано не только с их способностью набухать, а главным образом с их свойством изменять свое состояние, терять устойчивость и прочность и выжиматься внутрь выработок под действием горного давления. Набухание же глин, обусловленное именно их свойствами, усиливает этот процесс, и тем значительнее, чем больше выработки врезаются в глины. Подтверждением этого вывода для Подмосковного бассейна и для других, находящихся в аналогичных геологических условиях, может служить тот факт, что объем породы, поступающей в выработки, несравненно больше того объема, который мог бы поступить только при набухании глин.
Чтобы убедиться в правильности сложившихся представлений о природе явлений, происходящих в горных выработках Подмосковного бассейна, было выполнено несколько опытов {18J. Моделировались горные выработки, в почве которых укладывали слой глин при плотности, близкой к естественной. Затем повышали опорное давление на них и вели наблюдения за деформациями глин в почве выработки. На рис. VI-11 показаны результаты наблюдений по некоторым из этих опытов. Все они
точно воспроизводят динамику процесса в |
горных выработках |
и подтверждают представления о сущности |
явлений. |
Данные наблюдений, выполненных на многих шахтах Донбасса [57], где глинистые породы имеют более высокую степень литификации, полностью согласуются с данными, полученными
182
lUUUUltiU |
OS |
|
1 Ш к Ы Ш |
||
|
0,6 ' |
iP' |
11 |
ill |
iiiki^silll. |
Ofi
иnil
20 - |
|
|
|
|
fO |
Ofi |
Ц7 |
Цд |
|
|
|
|||
M i |
+ |
i |
L |
|
|
|
i |
4 |
t,4 |
Phc. VI-Il. Деформации |
глин в почва моделируемой выработки |
(по- |
||
|
|
|
В. Д. Ломтадзе). |
|
ДЛЯ Подмосковного бассейна. Там также главная причина выдавливания (пучения) глинистых пород почвы горных выработок связана с тем, что под влиянием горного давления упругое и упругопластическое состояние глин в некоторой зоне вокруг выработок изменяется на вязкопластическое неравновесное.. При этом они неограниченно длительно деформируются, и тем сильнее, чем глубже горные выработки (более 600—700 м),. т. е. чем выше горное давление. Все это указывает на то, что при оценке и прогнозе явлений пучения почвы в горных выра-
ботках необходимо учитывать также реологические |
свойства |
глинистых пород, т. е, склонность их к ползучести, и |
длитель- |
ную прочность. |
|
Отжим горных пород и угля в горные выработки. Неравновесное состояние горных пород наблюдается не только в почве горных выработок и в основании ограничивающих их опорных
целиков, |
ко при определенных |
геологических |
условиях |
также |
||
в толщах |
боковых пород и в забоях. Если здесь среди |
плотных, |
||||
и более прочных пород, менее податливых |
к деформациям, за- |
|||||
легают более слабые, они под влиянием |
опорного |
давления |
||||
раздавливаются, разрушаются |
и отжимаются |
внутрь |
|
вырабо- |
||
т
|
|
Т А Б Л И Ц А |
Vl - 2 |
|
|
|
Характеристика различных видов динамических явлений |
||||
|
|
Сейсмическая |
у р о в е н ь |
Категория |
|
Виды Явления |
сейсмвчности |
опасности |
|||
энергия, Д ж * |
|||||
|
|
в эпицентре, б а л л |
горных у д а р о в |
||
|
|
|
|||
Стреляние |
|
< 1 0 |
< 1 |
|
|
Толчки |
|
10—10^ |
1 - 2 |
|
|
Микроудары |
l O - W |
1 - 2 |
III |
||
Горные удары; |
|
|
|
||
средней |
силы |
10^-104 |
2—3,5 |
И |
|
большой |
силы |
|
3 & - 5 |
I |
|
катастрофические |
> 1 0 ' |
> 5 |
I |
||
* В сейсмологии применяют определенные методы вычисления энергии землетрясе - ннП. Она оценивается в д ж о у л я х . При сильных аемлегрясеииях составляет 10"—10" Д ж , •а при катастрофических — 10" — 10" Д ж -
ТОК. Такими породами наиболее часто являются различные глинистые: глины, аргиллиты, глинистые сланцы и др., а также пачки и слои углей.
Явление отжима пород и углей в горных выработках связано с недостаточной их устойчивостью, с переходом в пластическое или вязкопластическое состояние в зоне неупругих деформаций под влиянием действующих напряжений. Оно наблюдается главным образом на средних и больших глубинах, облегчает выемку угля, однако требует определенного внимания, так как создает трудности для охраны выработок.
Для оценки и прогноза явления отжима пород и угля пока не имеется строгих и надежных методов. Поэтому для этой цели пользуются в основном данными непосредственных наблюдений.
Динамические явления в подземных горных выработках. Это внезапно возникающие и протекающие с большой скоростью и силовым действием перемещения масс горных пород и полезного ископаемого в горную выработку, сопровождающиеся их дроблением, шелушением, образованием трещин — заколов, сейсмическими сотрясениями и значительным звуком. В зависимости от интенсивности проявления и соответственно вызываемых последствий различают следующие виды динамических явлений: стреляние горных пород, горные удары и толчки {38].
Горные удары бывают разной силы — от микроударов до ударов большой и даже катастрофической силы (табл. VI-2). Соответственно их подразделяют на четыре категории: I — с повышенной опасностью; II — опасные; III — не представляющие непосредственной опасности и IV — неопасные.
Стреляние горных пород — это быстрое откалывание и отскакивание кусков породы от обнаженной поверхности в горных выработках, сопровождающееся звуковым эффектом, возникаю-
184
щее вследствие их хрупкого разрушения при соответствующем напряженном состоянии. М. М. Протодьяконов 11933 г.] так описал это явление; «Когда проводится новая выработка, то в породе слышится треск, нередко достигающий по силе звука оружейного выстрела, и от обнаженной поверхности забоя отскакивают чечевицеобразные осколки и даже целые глыбы. Эти
обломки |
неправильного вида; они толще к середине |
и тоньше |
к краям, |
причем замечательно, что, отскочив, они |
изменяют |
свой объем и уже не могут быть вложены в то место, откуда они выскочили. Отскочив, порода уже теряет свои напряженные свойства, точно она была сдавлена, а тут получила возможность свободного расширения. Чаще и сильнее всего кускн отделяются с боков выработки, реже в почве и гораздо реже — в кровле. Отделение всегда параллельно обнаженной поверхности забоя... Обнаруживаться «стреляние» может и не тотчас после проведения выработки, а иногда спустя несколько недель или даже месяцев. Равным образом, продолжаться оно может долгое время, даже несколько лет, хотя и ослабевает со временем».
Стреляние горных пород может являться признаком возможных горных ударов. Оно наблюдается довольно часто, особенно при производстве горных работ на глубинах более 300—500 м, например на рудных месторождениях Тырныаузском (Северный Кавказ), Миргалимсайском (Южный Казахстан), Джезказганском (10жный Казахстан), Кадамжайском (Киргизская ССР), Садонском (Северный Кавказ), на месторождениях Горной Шории (Алтай) и др. Известно много примеров стреляния горных пород при строительстве горных туннелей в твердых скальных породах.
Микроудары проявляются в разрушении горных пород и полезного ископаемого в пределах сравнительно небольшого объема геологического пространства и быстром: их перемещении (выбросе) в горную выработку. Они сопровождаются резким звуком, образованием пыли и сотрясением масс горных пород, а в газоносных породах — усилением газовыделений. Микроудары обычно не вызывают повреждений горных выработок, крепи, машин и механизмов.
Горные удары средней и большой силы представляют собой быстрое хрупкое разрушеяие горных пород, пластов и залежей полезного ископаемого, сопровождающееся перемещением (выбросом их в горную выработку), резким звуком, образованием большого количества пыля, значительным сотрясением масс горных пород. При некоторых горных ударах разрушением охватываются породы на площади в сотни и даже миллионы квадратных метров, а сейсмическое воздействие ощущается на земной поверхности в радиусе до 5—10 км Шич Я. А., 1962 г.]. Инструментально такие явления регистрируются на расстоянии десятков и сотен километров от места удара. Так, например, горный удар, произошедший 8 июля 1958 г. на руднике
185
им. Э. Тельмана калийного комбината Верра в ГДР, был зарегистрирован сейсмическими станциями в СССР, Турции и Испании.
Последствия горных ударов всегда значительны. Обычно происходят разрушения и нарушения крепи и горных выработок в целом, машин, механизмов и оборудования. В результате горного удара на руднике им. Э. Тельмана были разрушены подземные выработки на площади 3 км^. Горный удар на шахте «Крюгерсхаль>, произошедший 24 мая 1940 г., был зарегистрирован сейсмическими станциями, расположенными на расстоянии 700 км от нее, а макроскопически ощущался в радиусе 35 км. При этом горном ударе в шахте погибло 42 человека, а на шахте «Фритц Хейприх» во время горного удара в 1942 г. погибло 45 человек [Бич Я. А., 1962 г.]. Горные удары возникают на всех основных угольных месторождениях мира, а также на многих рудных и соляных. Известны случаи их образования на месторождениях строительных материалов.
Толчками принято называть горные удары, проявляющиеся в разрушении горных пород и полезного ископаемого за пределами контуров выработок на некоторой глубине в толще пород, без их выброса в горную выработку Ш]. Толчки обнаруживаются по треску, значительному звуку, сотрясению масс пород, появлению пыли, осыпанию обломков пород и полезного ископаемого со стен выработок.
Из приведенной краткой характеристики динамических явлений следует, что непосредственную опасность при производстве горных работ для людей, сохранности горных выработок, машин, механизмов и другого оборудования представляют горные удары, хотя они происходят реже, чем все остальные явления. В связи с тем что горные работы во многих бассейнах и на месторождениях развиваются на все большую и большую глубину, опасность возникновения горных ударов возрастает. Поэтому изучение этих геологических явлений и их прогноз составляют исключительно важную задачу.
Необходимо отметить, что в этом плане уже много сделано советскими учеными, и особенно А. А. Скочинским, С. А. Авершиным, В. Д. Слесаревым, И. М. Петуховым, Я- А. Бичем, В. Д. Ходотом, В. И. Николиным и многими другими. В их работах показано, что горные удары возникают только при определенных геологических условиях и проявляются в разных формах на разных этапах развития горных работ. При их образовании разрушению подвергаются либо только полезное ископаемое, либо только вмещающие породы, либо область разрушения распространяется на те и другие. Соответственно различают [38] три основных типа геологических условий, при
которых получают развитие горные удары: |
1) горные |
удары |
|
в выработках, полностью пересекающих удароопасный |
пласт, |
||
толщу, |
зону; 2) горные удары в выработках, |
располагающихся |
|
внутри |
достаточно однородных пластов, толщ, зон; 3) |
горные |
|
186
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-
ределенных |
геологических условиях — в зонах |
повышенного |
||
опорного |
давления — являются |
удароопасными, |
склонными |
|
к динамическим явлениям. |
|
|
|
|
Горные удары возникакуг в условиях, когда скорость измене- |
||||
ния напряженного состояния горных пород |
превышает макси- |
|||
мальную скорость релаксации |
напряжений, |
возможную ско- |
||
рость пластической деформации [38], т. е.
N = |
1)„/Упред, |
|
|
где N — показатель хрупкости |
породы или |
полезного |
ископае- |
мого; Он — скорость изменения напряженного состояния |
пород и |
||
полезного ископаемого на данном участке; |
Упред —предельная |
||
(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
Рис. VI-12. Схема для объяснения механизма образования
горных ударов (по И. М. Петухову).
А — пригабоАная |
зона нарушенных |
|||
горных пород; |
Б, |
Г — зоны |
пород, |
|
отличающиеся |
|
преимущественно |
||
упругими |
деформациями; |
В — зо - |
||
на пород, |
склонных к пластическим |
|||
деформациям; |
а — кривая |
распре- |
||
деления напряжений в горных породах в прнза.бойной части горной выработки.
Z
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).
я , . Hi, |
Hs, я , —глубина |
расположения |
горных выработок |
от поверхности земли; I — |
|||||
ширина |
зоны |
предельного |
напряженного |
состояния |
горных |
пород; 7—^ — кривые |
нэме- |
||
нення предельного |
напряженного состояния горных |
пород в |
прнзабобной |
части |
горной |
||||
|
|
|
|
выработки. |
|
|
|
|
|
глубинах |
//з |
И Ни |
ЗОНЫ предельного |
напряженного |
состояния |
||||
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
силы, которые иногда |
приобретают |
катастрофический характер. |
Д л я возникновения |
и развития |
динамических явлений важ- |
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