Кочарян Г.Г. Деформационные процессы в массивах горных пород

Подождите немного. Документ загружается.

361

Рис. 9.15. Схема сдвижения горных пород над выработанным

пространством

Условная схема сдвижения горных пород над выработанным

пространством показана на рис. 9.15.

В подработанной толще пород располагаются шесть зон. В

зоне обрушения 1, расположенной непосредственно над

выработанным пространством, породы наиболее деформированы и

разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Зона 2 (зона

сквозных трещин), прилегающая к зоне обрушения, характеризуется

развитием в прогибающихся породах нормально

секущих трещин и

трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и

образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с

малым аэро- и гидродинамическим сопротивлением. В третьей зоне

– зоне активных (фильтрующих) трещин – секущие трещины и

362

трещины расслоения соединяются между собой по ломаным кривым

и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным

аэро- и гидродинамическим сопротивлением, которое растет

пропорционально удалению их от деформированной зоны. В

четвертой зоне (зоне локальных трещин) деформации растяжения,

вызванные изгибом пород, достигают критических значений только

в отдельных, наиболее слабых слоях, и потому

трещины здесь

имеют прерывистый характер. Пятая зона, характеризующаяся

прогибом пород без разрыва их сплошности, носит название зоны

плавного прогиба. Шестая (зона опорного давления) и седьмая (зона

предельно-напряженного состояния) зоны находятся в области

повышенного горного давления, при этом в шестой зоне

преобладают упругие деформации, в седьмой – неупругие

(необратимые).

Перечисленные шесть

зон находятся в подработанной толще

пород, под которой понимается толща пород, расположенная выше

горизонтальной плоскости, проведенной через продольную ось

выработанного пласта. Толща пород, расположенная ниже этой

плоскости, называется надработанной. Седьмая зона

распространяется как на подработанную, так и на надработанную

толщу, но в основном она проявляется в боках выработки. В

надработанной

толще имеется пять зон (зона обрушения

отсутствует), при этом зоны восемь, девять, десять, одиннадцать и

двенадцать по своим качественным характеристикам соответствуют

зонам два, три, четыре, пять и шесть подработанной толщи, но все

зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе

(примерно, втрое) к выработке, чем в подработанной.

В прилегающем к земной

поверхности слое в результате

изгиба образуются зоны растяжения и зоны сжатия. Зона 13

характеризуется максимальным растяжением у земной поверхности

и постепенным затуханием его в глубину слоя, зона 14 –

максимальным растяжением на нижней границе слоя и постепенным

затуханием растяжении по мере приближения их к земной

поверхности, в зоне 15 происходит сжатие слоя, при этом характер

затухания сжатия здесь аналогичен таковому при растяжении.

363

Как отмечалось, параметры деформирования массива

оценивают по эмпирическим зависимостям которые

удовлетворительно описывают значения амплитуды максимальных

сдвижений, размеры мульды, граничные углы и углы сдвижения и

т.д.

D/H

=η/h

(%)

Рис. 9.16. Зависимость коэффициента q

от ширины подработанного

пространства

Внешние границы мульды сдвижения на земной поверхности

определяются по граничным углам

, а внешние границы опасной

ее части – по углам сдвижения. Значения этих углов зависят от

свойств горных пород и определяются опытным путем.

Величина максимального вертикального оседания земной

поверхности

max

рассчитывается по формуле

,αcosη

210max

nnmq ⋅=

(9.28)

где α – угол, образуемый пластом с горизонтом,

m – величина

прогиба кровли пласта;

и n

– коэффициенты подработанности,

определяемые из выражений

)/(9,0

HDn = )/(9,0

HDn =

364

где D

– длина и ширина пласта; Н – глубина расположения

выработки. При значениях

(или n

) больших единицы, значение

соответствующего коэффициента принимается равным 1.

Коэффициент q

учитывает характер затухания сдвижений от

выработки к земной поверхности, зависит от глубины, свойств

пород и конфигурации подработанного пространства. Пример

зависимости величины q

от соотношения между шириной

подработанного пространства и глубиной показан на рис. 9.16. Как

видно, при больших площадях подработки, проседание поверхности

имеет значение близкое к величине проседания кровли пласта.

9.5 Динамические проявления горного

давления в подземных выработках

При проходке горных выработок, естественное напряженно-

деформированное состояние массива породного массива изменяется.

Концентрация напряжений на некоторых участках приводит к

повышению вероятности разрушения породы в окрестности

выработки. При этом наряду с квазистатическими формами

проявления деформаций, в напряженном массиве могут происходить

динамические, спонтанные разрушения, которые называют

горными

ударами

Горный удар представляет собой явление хрупкого

разрушения напряженного участка породного массива, как правило,

вблизи горной выработки, при котором зачастую происходит

дробление и выброс пород, что приводит к разрушению

оборудования и гибели людей. При крупных горных ударах

наблюдаются подвижки блоков вдоль разломов подобно тому, как

это происходит при землетрясениях. По сути

дела, горные удары

представляют собой микроземлетрясения. При наиболее сильных

горных ударах площадь разрушения горных выработок достигала 1-

3млн.м

. Сейсмический эффект при этом отмечали в радиусе

нескольких сотен километров от эпицентра.

Как и землетрясение, горный удар является следствием нарушения

равновесия в массиве горных пород. Очагами горных ударов часто

являются участки повышенной концентрации потенциальной

365

энергии деформации – оставляемые целики горной породы, стенки

выработок. Существенную роль в инициировании горного удара

могут играть импульсные нагрузки, например взрывы.

К наиболее существенным геологическим факторам,

способствующим возникновению динамических проявлений горного

давления, относятся высокая прочность пород, их хрупкость,

сильная тектоническая нарушенность участка, большая глубина

ведения горных пород.

По механизму явлений принято деление техногенных

динамических событий на две группы. Первая - собственно горные

удары, обусловленные локальными концентрациями напряжений в

горных выработках. Вторая - горно-тектонические удары или

техногенные землетрясения, обусловленные внезапными

подвижками крупных блоков горных пород по| тектоническим

нарушениям.

Вероятным механизмом событий первой группы является

хрупкое разрушение участка массива в результате деформации

растяжения, возникающей в некоторой области массива вследствие

ведения горных работ. При образовании новых свободных

поверхностей при проходке выработки и извлечении породы,

появляется возможность преобразования потенциальной энергия

деформирования участка массива, в кинетическую. Определенные

участки горного массива в окрестности выработки оказываются

перенапряжены, по сравнению с исходным напряженным

состоянием. Размер и форма этих областей зависит от параметров

начального поля напряжений, размеров и конфигурации выработок.

При высоких уровнях горного давления, когда значения напряжений

близки к пределу прочности материала, в породе наблюдаются

участки разрушений и пластических деформаций даже в условиях

всестороннего сжатия. Такие разрушения вызывают трески и шумы

в напряженном участке массива.

Максимальный уровень напряжений устанавливается, зачастую, на

некотором расстоянии от контура выработки (рис.9.17 ). Область,

где напряжения превышают уровень первоначального поля

напряжений, носит название зоны опорного давления.

366

Рис.9.17 Формирование зоны опорного давления в окрестности стенки

(сверху) и забоя горной выработки

При медленном, постепенном изменении напряженно-

деформированного состояния участка массива избыточные

напряжения, концентрирующиеся на неоднородностях, успевают

релаксировать. Если же скорость деформации достаточно велика, то

возможно "взрывное" разрушение участка массива, находящегося в

предельно напряженном состоянии.

367

Типичная схема горного удара выглядит следующим образом

(рис.9.17). На некотором удалении от выработки образуется зона

пластических деформаций породы (В). Высокое эффективное

давление пород в этой зоне уравновешивается сопротивлением

пород зон Б и Г. Если внутреннее давление в зоне В превышает

сопротивление периферийной зоны Б, происходит подвижка пород

зон А и Б в сторону выработанного пространства до тех пор, пока

вновь не установится равновесие. Такие подвижки могут

происходить многократно. Причем если хрупкое разрушение будет

испытывать лишь незначительная часть зоны В, то возникнут только

многократные толчки, без разрушения всей сильно напряженной

части массива. Если же внутренние выталкивающие силы в зоне В

окажутся достаточно большими, чтобы сообщить породам в зонах А

и Б непрерывное движение в сторону выработанного пространства,

то возникнет лавинообразный процесс разрушения пород в зоне В,

т. е. горный удар.

Горно-тектонические удары или техногенные землетрясения

могут быть инициированы различными причинами приводящими к

Рис.9.18 Схема подвижки блока по тектоническому разлому при

техногенном землетрясении в Хибинах

368

изменению напряженного состояния участка массива, например

извлечение больших объемов горной породы или углеводородов,

закачка жидкости, излом консоли вышележащих пород, и т.д.

На рис.9.18 приведена вероятная схема возникновения

крупного техногенного землетрясения, произошедшего в Хибинах

16.04.1989г. Оценка магнитуды этого события по результатам

регистрации параметров сейсмических колебаний, дает величину

M~4.8÷5, что соответствует сейсмической энергии около 10

Дж.

Возможным механизмом этого события явилось образование

гигантской трещины размером ~1000х1000м

, совпадающей на всем

протяжении с разломом V ранга (3 на рис.9.18). Нарушение

равновесия породного массива могло быть вызвано изъятием

больших объемов горной породы, что привело к понижению

свободной поверхности на 300-400м и уменьшению вертикальных

напряжений на 9-12МПа при сохранении действующих в массиве

субгоризонтальных тектонических напряжений σ

~30÷80МПа.

Интересно, что непосредственным инициирующим событием этого

техногенного землетрясения послужил взрыв ВВ весом около 200т.

Сейсмическая энергия единичного горного удара составляет от

нескольких джоулей при стрелянии горных пород до 10

дж и более

при катастрофических ударах. Классификация горных ударов

различной энергии приведена в таблице 9.3.

Длительность процессов хрупкого разрушения при горном

ударе составляет от сотых долей секунды до 2—3 сек. Она тем

больше, чем сильнее горный удар. Соответственно различен и

частотный спектр сейсмических колебаний, возникающих при

горных ударах. Максимум частотного спектра при

микроударах

лежит в диапазоне 500—800 Гц, при средних ударах около 10 Гц, а

при сильных 1—3 Гц.

Для статистики горных ударов выполняются те же

закономерности, что и для природной сейсмичности, т. е. связь

количества событий с их энергией подчиняется соотношению

Гутенберга-Рихтера (5.62).

369

Таблица 9.3 Классификация горных ударов

Класс интенсивности Энергия,

Дж

Макроописание Магни

туда

1 2 3 4

Шелушение Разрушение контура выработок

Заколы

Разрушение контура выработок,

отделение пластин со звуковым

эффектом

Стреляние

Отрыв от контура с резким звуковым

эффектом

Локальное

поверхностн

ое

разрушение

Очень

слабые

Микроудар

<10

Хрупкое разрушение породы с выбросом

ее в выработку

Локальное

разрушение

Площадь

разрушения

до 50м

Слабые 10

-10

Хрупкое разрушение породы с выбросом

ее в выработку, с ощутимыми звуковым

и сейсмическим эффектом, возможным

образованием пыли, но без

существенного нарушения крепи и без

повреждения машин и оборудования.

Площадь

разрушения

до 250м

1-2

370

Средние Толчок 10

-10

Быстрое разрушение и выброс или

выдавливание в выработку значительного

объема породы с большим количеством

пыли, образование воздушной и

сейсмической волны, нарушение крепи и

завал выработок на участке длиной до

нескольких метров, смещение и

повреждение машин и оборудования

250м

–

1200м

1-2

Сильные 10

-10

1200 –

5600м

Очень

сильные

Горный

удар

-10

Приводит к нарушениям крепи и завалам

выработок с повреждением машин и

оборудования на участке

протяженностью до нескольких десятков

метров, что требует больших объемов

восстановительных работ 5600-

25000 м

1-3

Катастро-

фические

Горно-

тектоничес

кий удар

>10

Сильный звуковой эффект, пыль,

сотрясение массива и земной

поверхности. Разрушение ряда целиков,

завал выработок в пределах целого

участка или горизонта рудника или

шахты; в отдельных случаях разрушение

охватывает все основные выработки

рудника, приводя к его гибели

>25000 м

3-5