Лекция 2. Характеристика устойчивости горных пород и выработок.
1. Горное давление и устойчивость крепи горных выработок
Горное давление – это силы (напряжения), возникающие в массиве, окружающем горную выработку. В нетронутом массиве горное давление вызывается собственным весом пород и тектоническими силами. До проведения выработки слои горных пород тесно примыкают один к другому (находятся в состоянии естественного равновесия), причем каждый из них выдерживает вес вышележащих слоев. После проведения выработки равновесие обнаженной кровли нарушается: нижний слой, а затем и верхние слои начинают прогибаться, как прямая балка, заделанная по концам.
Широко применяемые для проведения горных выработок буровзрывные работы и массовые взрывы при отбойке руды оказывают еще большее влияние на то, что вокруг горной выработки образуются трещины и разрывы, а в ряде случаев происходит отделение пород от массива. При проведении выработок буровзрывным способом сплошность породы вблизи контура нарушается.
Давление на крепь в разные моменты времени после проведения выработки имеет различную величину. Вначале давление на крепь возрастает в течение нескольких суток, достигая некоторой максимальной величины. Горное давление в этот период времени называют неустановившимся (или первичным) горным давлением. После этого наступает период, когда горное давление становится постоянным, сохраняя максимальную величину или несколько уменьшаясь. В этот период сдвижение окружающих выработку пород прекращается, так как породы, взаимодействуя с крепью, приходят в состояние равновесия. Давление на крепь в этот период называют установившимся (или вторичным) горным давлением. Состояние равновесия в породах может быть вновь нарушено при перекреплении или при проведении смежной выработки, а также при влиянии очистных работ вблизи горной выработки. При этом опять в начальный момент возникает неустановившееся горное давление, которое через некоторый промежуток времени сменяется установившимся.
Ведение очистных работ является одним из основных факторов, определяющих величину смещений породного контура горных выработок. Как правило, разрушения крепи, вызывающие ее замену, наблюдаются при приближении фронта очистных работ. С увеличением глубины напряженное состояние горных пород возрастает. Например, при средней плотности пород 25 кН/м3 на глубине 1000 м напряжения в нетронутом массиве горных пород достигают 25000 кН/м2.
2. Факторы, определяющие устойчивое состояние выработок.
Геомеханическое состояние пород вокруг выработок зависит от геологических условий, в которых пройдены выработки, и горно-технических условий их проведения и эксплуатации, называемых обычно технологическими факторами. К геологическим условиям относятся глубина разработки, структура, физико-механические свойства горных пород, мощность и угол падения залежей полезных ископаемых.
Технологическими факторами являются форма, размеры, расположение горных выработок, механическая характеристика крепи, скорость подвигания и время поддержания выработок.
Глубина разработки существенно влияет на напряженное состояние массива и расположенных в нем выработок. С определенной глубины участки массива становятся угрожаемыми по горным ударам и внезапным выбросам, а с еще большей глубины – опасными по этим динамическим явлениям.
Структура оказывает существенное влияние на характер деформирования горных пород вокруг выработок. Чем меньше размер структурных блоков, тем больше вероятность образования вывалов и заколов, вызываемых разрушением пород в форме сдвига и отрыва по контактам этих блоков или других структурных неоднородностей.
Физико-механические свойства горных пород относятся к основным исходным данным, используемым при прогнозе характера поведения выработок, выборе вида и параметров крепи. В породах, обладающих способностью к проявлению значительных пластических деформаций, хрупкого разрушения пород не происходит. После относительно упругого деформирования пород в них развиваются пластические деформации обычно без разрыва сплошности, называемые пластическим течением. В тех случаях, когда пластические деформации сопровождаются разрывом сплошности пород, происходит их разрушение. Наличие пластических пород в почве выработок вызывает их пучение.
Мощность и угол падения залежей полезных ископаемых оказывают заметное влияние на состояние выработок в тех случаях, когда часть сечения выработки находится в полезном ископаемом, а часть - во вмещающих породах. В этом случае на контакте двух геологических сред, особенно при крутом падении пород, могут возникать деформации сдвига и отрыва пород, существенно усложняющие проведение и поддержание выработок.
Наибольший интерес для практики горного дела имеют технологические факторы, поскольку с их помощью можно управлять геомеханическими процессами в массиве горных пород, вмещающем выработки, и создавать нормальные условия для проведения и поддержания этих выработок. Рассмотрим эти факторы подробнее.
Форма поперечного сечения выработок играет важную роль в их устойчивости. Чем меньше в сечении выработки углов и закруглений малого радиуса кривизны, в которых происходит концентрация напряжений, тем выработка устойчивее. Повышение устойчивости выработок достигается также подбором таких сечений выработок, которые соответствуют параметрам начального поля напряжений, что осуществляется изменением высоты подъема свода и соотношения ширины и высоты выработки.
Размер выработки является одним из основных параметров, определяющих ее устойчивость. Выработка считается устойчивой, если в ее кровле отсутствуют растягивающие напряжения или они значительно меньше значений, при которых в породах кровли возникают секущие трещины. Проф. Н.С. Булычев по степени устойчивости кровли подразделяет обнажения на следующие пять категорий:
вполне устойчивые – вывалы и обнажения отсутствуют;
устойчивые – возможны отдельные отслоения;
средней устойчивые – возможно образование вывалов после длительной эксплуатации выработки;
неустойчивые – вывалы образуются вскоре после обнажения;
весьма неустойчивые – обрушение происходит вслед за обнажением.
Расположение горных выработок оказывает влияние на их устойчивость при наличии в толще тектонических напряжений или старых и действующих выработок. В первом случае повышение устойчивости выработок достигается правильным выбором пространственной ориентации сечения относительно компонент начального поля напряжений и структурных неоднородностей, во втором – расположением выработок за пределами вредного влияния смежных горных работ. Расположение выработок в зонах разгрузки улучшает состояние выработок, в зонах повышенного горного давления – ухудшает.
Механическая характеристика крепи является основным фактором, при правильном выборе которого можно предотвратить чрезмерное развитие зоны неупругих деформаций и обрушение пород. При достаточно большой жесткости крепи она работает в режиме заданной (или взаимовлияющей) деформации и горное давление возникает вследствие того, что крепь принимает прирост смещений с момента ее установки, который зависит от давления p. Поэтому последнее можно определить из условия совместимости смещений:
Ut(p)=U0+
,
где Ut(p) –смещение поверхности выработки в момент времени t;
U0 – смещение поверхности выработки до наступления контакта между крепью и этой поверхностью;
- смещение контура крепи в момент времени t. При малой жесткости крепи ее смещения велики, и поэтому породы зоны неупругих деформаций отслаиваются от окружающих пород, нагружая крепь собственным весом (режим заданной нагрузки). В режиме заданной или взаимовлияющей деформации давление будет тем меньше, чем меньше жесткость крепи. Этой возможностью снижения нагрузки пользуются на практике, создавая в крепи различные узлы и элементы податливости. Однако, чем меньше реакция крепи, тем больше размеры зоны неупругих деформаций, породы которой воздействуют на крепь своим весом. Таким образом, снижение жесткости крепи имеет естественный предел – оптимальную жесткость, обеспечивающую минимальное давление в данных горно-геологических условиях. При невозможности (или затруднительности) регулировки жесткости постоянной крепи давление на нее снижают, возводя крепь на достаточном расстоянии от забоя и (или) спустя достаточное время после обнажения. В период от момента образования обнажения до возведения постоянной крепи соответствующие участки выработки поддерживаются временной крепью. Для выработок, не испытывающих влияния очистных работ, типичное значение смещения контура выработки составляет 20-40 см, а давление на крепь – 100-200 кПа. Однако в зависимости от типа крепи, глубины разработки, свойств пород и других факторов эти величины могут изменяться в несколько раз.
Влияние очистных работ приводит к увеличению смещений контура выработки. Если выработка непосредственно примыкает к лаве (например, откаточный и вентиляционный штреки), то смещения достигают половины вынимаемой мощности пласта. С целью уменьшения этого влияния применяют специальные виды крепи в сочетании с различными способами охраны горных выработок.
Скорость подвигания и время поддержания выработок оказывают существенное влияние на устойчивость и состояние выработок. Увеличение скорости подвигания забоя смягчает вредное влияние горного давления. Уменьшение времени поддержания выработки, т.е. продолжительности действия нагрузки, снижает деформации вмещающих пород, поскольку установлено, что деформации горных пород, не подчиняющиеся линейному закону Гука, проявляют запаздывание в своем развитии. Проф. В. Д. Слесарев описывает зависимость разрушающей нагрузки от времени следующим выражением:
ptn=T=const,
где p- нагрузка, разрушающая материал за время действия t;
t- время действия нагрузки;
n – постоянный коэффициент, характеризующий свойства материала;
T – постоянная величина, зависящая от свойств материала и представляющая нагрузку, мгновенно разрушающую материал (временное сопротивление, прочность).
Общая деформация горных пород e при данной нагрузке p за данный период времени t, аналогично уравнению Гейсса, определится приближенно зависимостью
e=tn
где - коэффициент, обратный модулю упругости; - коэффициент, зависящий от свойств материала (породы).