книги / Механика горных ударов и выбросов

и на рудных месторождениях: если глубина достаточна, чтобы краевая часть деформировалась необратимо, а руда является до­ статочно хрупкой, то происходит горный удар. Во всех случаях опасность растет с увеличением горного давления, например, с ро­ стом глубины, при ведении работ на выработанное пространство, в зонах влияния повышенного горного давления целиков или крае­ вых частей массива, соседних пластов и так далее. Общим для ударов в подготовительных выработках, проводимых по мощным пластам или однородным породам, является, во-первых, их при­ уроченность к моменту взрыва зарядов, рассечки ниш, камер, рас­ ширению и перекреплению выработок и, во-вторых, существенное влияние крепи на локализацию разрушения — часто разрушение происходит только со стороны незакрепленного участка выра­ ботки.

Горные удары в краевых частях около очистных выработок (см. рис. 60,6) чаще всего имеют место при ведении очистных ра­ бот. Наиболее опасными являются выступающие участки. Напри­ мер, если имеется передовой штрек, то опасным является выступ на его сопряжении с очистной выработкой. При отсутствии таких либо иных выступающих участков наиболее опасна средняя часть забоя. Свыше 90% горных ударов в очистных выработках проис­ ходят непосредственно в период выемки полезного ископаемого. При этом вероятность и сила удара тем больше, чем больше одно­ временно отторгаемая часть угля (руды, соли). Так, опасность растет с увеличением ширины захвата добывающей машины, чис­ ла одновременно взрываемых шпуров и так далее.

Горные удары в целиках (см. рис. 60,б, г, д) характеризуются наибольшей разрушительной силой. Особенно она велика в случае сплошных изолированных целиков (см. рис. 60,в). Вмещающие породы при этом представляют систему с малой жесткостью. Они обладают очень высокой энергией, и .колебания их после перво­ начального разрушения, воздействуя на целик подобно молоту, вызывают очень мелкое дробление разрушаемого материала у контакта с породами. Например, при ударах в угольных целиках на контактных поверхностях образуется толстый слой тончайшей пыли. Породы после удара получают значительные смещения,

амежду ними и разрушенным целиком зачастую образуется щель.

Вслучае, когда целик прорезан (см. рис. 60,г) или отделен от массива подготовительной выработкой (см. рис. 60,д), удар ло­ кализуется, так как обычно он происходит в сторону подготови­ тельной выработки (от выработанного пространства). Разрушение, начавшись от края малой выработки, продолжается в глубь цели­ ка вплоть до ее заполнения разрушенной массой. Дальнейшее развитие горного удара не происходит. Боковые породы, как пра­ вило, существенно не нарушаются. Таким образом, профилактиче­ ская прорезка будущего целика выработкой до того, как очистные работы разовьются и он оформится и станет опасным, хотя и сни­ жает несущую способность, но может служить управлению горным ударом: задается направление развития процесса и снижается

интенсивность его проявления. Конечно, сама прорезывающая вы­ работка, если не применять специальных мер, очень опасна и не должна использоваться для передвижения людей, хранения и пе­ ремещения механизмов и оборудования. Удары в целиках, отде­ ленных от массива подготовительной выработкой, как правило, происходят при подходе очистных работ к передовым выработкам, когда и появляется соответствующий целик. В этом состоит глав­ ная опасность систем разработки длинными столбами по прости­ ранию на угольных пластах, подверженных горным ударам. Во всех случаях при наличии опасности число передовых выработок должно быть сведено к минимуму.

•Горные удары с разломом кровли или почвы (см. рис. 60,е) возникают в результате того, что податливые слои, находящиеся за прочным слоем, выдавливаются в сторону выработки и выги­ бают в ту же сторону встречающуюся на их пути жесткую плиту. При определенной ширине выработки плита, находясь в сложном напряженном состоянии сжатия с изгибом, мгновенно разрушает­ ся. При этом выделяется значительное количество энергии, про­ исходит сильное сотрясение окружающих пород и резкий звук. Обычно удары такого типа происходят, когда толщина плиты со­ ставляет около половины ширины выработки. При малой же тол­ щине происходит плавный прогиб и динамических эффектов не на­ блюдается.

Приведенная классификация горных ударов по месту проявле­ ния уже затрагивает вопрос об их интенсивности. Однако она от­ носится лишь к собственно горным ударам и не охватывает близ­ ких и зачастую предшествующих явлений, которые, хотя и не представляют непосредственной опасности для людей и сохранно­ сти механизмов и выработок, но служат начальными формами, предвещающими возможность более интенсивных разрушений. Такие начальные формы в порядке их развития и перерастания в собственно горные удары представляют стреляния, толчки, мик­ роудары. В предыдущих разделах уже упоминались некоторые из этих начальных форм. Опишем теперь более полно их проявления [45—47].

Стреляния проявляются в отскакивании от напряженного мас­ сива отдельных кусков, сопровождающемся резким звуком.

массива, осыпанию со стенок выработок. В случае сильных толч­ ков возникает воздушная волна.

Микроудары проявляются в виде небольшого разрушения и вы­ броса материала в выработку без нарушения крепи, механизмов, машин. Также имеет место резкий звук, сотрясение массива, обра­ зование пыли. На газоносных пластах микроудары сопровождают­ ся усиленным газовыделением и возможен переход явления во внезапный выброс угля (породы) и газа.

Следует подчеркнуть, что там, где проявляются собственно гор­

ные удары, как правило, в той или иной степени происходят и пе­ речисленные три группы начальных форм удара; там, где есть микроудары, проявляются толчки и стреляния; там, где есть толч­ ки, в определенных условиях нагружения могут проявляться и стреляния. Возникновение каждой из последующих групп ударов, в общем, говорит о повышении степени удароопасности.

6.2.ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

кБУРНОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Большинство горных пород, в том числе и тех, в которых на­ блюдаются горные удары, имеют запредельные диаграммы перво­ го типа (см. рис. 3). Для них, как ясно из предыдущего изложе­ ния, понятие об удароопасности не имеет абсолютного смысла: одна и та же порода в зависимости от условий нагружения может быть совершенно безопасна в отношении динамического разруше­ ния, а может оказаться чрезвычайно опасной. Опасным или без­ опасным является не материал, а вся система, образуемая нагру­ жающим устройством и деформируемой необратимо породой. По­ добно тому, как образец, спокойно деформируется на жестком прессе и бурно, разрушается при испытании на мягком оборудо­ вании, элементы массива около выработок раздавливаются спо­ койно, когда условия отвечают жесткому нагружению и разруша­ ются в виде горного удара, если окружающие породы образуют по отношению к ним мягкую систему [45—47, 75, 84, 86]. При этом понятия «жесткая» и «мягкая» система также лишены абсо­ лютного смысла. По отношению к разным материалам одна и та же система может быть как жесткой, так и мягкой. Например, для пластичной породы с малым модулем спада обычный пресс может оказаться достаточно жестким, чтобы запредельная деформация протекала спокойно вплоть до полного разрушения, в то время как для материала с очень большим модулем спада даже весьма жест­ кое специальное оборудование оказывается подчас «мягким».

Понятно, что речь может идти лишь об относительных, срав­ нительных оценках как опасности различных материалов, так и степени жесткости внешних условий *. Первые оценки рассмотрим в этом, а вторые — в следующем подразделе.

Сравнение материалов по степени их удароопасности можно выполнить, только фиксируя внешние условия. Эти условия охватывают, с одной стороны, уровень нагрузок, а с другой — возможную скорость их спада, т. е. жесткость системы. Горный удар происходит, когда, во-первых, внешние нагрузки достигли максимальных значений (предела прочности при одноосном сжа­

* Отсутствие абсолютной шкалы опасности для пород с диаграммой пер­ вого типа (см. рис. 3), конечно, не означает, что на практике невозможно раз­ делить породы на опасные и неопасные. В-шахтных условиях жесткость внеш­ ней системы вовсе не произвольна, а находится в некотором ограниченном условиями отработки диапазоне. Нижняя граница этого диапазона разделяет породы на потенциальна опасные и неопасные при данных условиях ведения горных работ.

тии образца, предельной нагрузки на целик), во-вторых, жесткость внешней системы при этом меньше, чем жесткость разрушаемого элемента (образца, целика, краевой части пласта), и, в-третьих, когда выделяющаяся при разрушении энергия достаточно велика, чтобы обеспечить разлет со скоростью, превышающей 4—5 м/с. Понятно, что для сравнения недостаточно фиксировать только жесткость внешней системы. Необходимо фиксировать и уровень

в мощном пласте или однородных породах. Тогда приток энергии и ее поглощение пропорциональны соответственно о2о/Е и о2о/М (а — предел прочности, Е — модуль упругости, М — модуль спада). Опасность имеет место, когда приток превышает или хотя бы ра­ вен поглощению, т. е. М /Е^ 1. Таким образом, сравнительной безразмерной характеристикой материала, выраженной только через показатели его свойств, может служить отношение Х=М/Е. Обобщением этого показателя является отношение максимальной

упругой деформации ее к максимальной необратимой деформации за пределом упругости 8*—ге. Понятно, что для идеализированной

к энергии, расходуемой на запредельные деформации. При Х=1 эти энергии равны. Зависящая от X комбинация 1/(1+Х) дает от­ ношение энергии, расходуемой за пределом прочности, к общей энергии, затрачиваемой на деформацию от исходного состояния до полного разрушения. Функциональная связь X и 1/(1+À) позво­ ляет фиксировать критическое значение последнего отношения, если известно критическое значение X. Так, при следующем из тео­ рии устойчивости для ряда важных задач характерном значении X, равном единице, критический уровень 1/(1+Х) составляет 1/2.

До получения запредельных диаграмм в распоряжении иссле­ дователей была лишь восстающая часть полной кривой «деформа­

нельзя приписывать удароопасности абсолютный смысл вне связи с условиями нагружения. Естественно, что вопреки критерию ky имеются случаи, когда при ky<.70% возникали горные удары. Например, они имели место в угольных целиках пласта № 13 Кизеловского бассейна, хотя для угля ky было около.30%. С другой стороны, значение ky> 70% вовсе не означает, что безусловно имеется опасность. Это наглядно иллюстрируется приведенным примером увлажнения угля и легко обнаруживается при исполь­ зовании ky для песчаников, руд и других прочных пород.

В настоящее время, учитывая успехи, достигнутые в получении полных диаграмм, можно ориентироваться на оценку удароопас­ ности с помощью модуля спада

безразмерной шкалы, распределяющей породы по степени их опас­ ности. Такая шкала условна и оценивает породы только по их склонности к потере устойчивости, а не по интенсивности послед­ ствий неустойчивости. Тем не менее, практические приложения по­ казателя X при критическом значении, равном единице, хорошо согласуются с фактически наблюдаемой опасностью и обнаружи­ вают широкие перспективы для прогноза горных ударов.

Наглядной иллюстрацией места отношения Х=М/Е среди дру­ гих характеристик опасности может служить приводившийся в 3.3: пример сжатия на жестком прессе двух стержней в режиме задан­ ной деформации (см. рис. 30,6). Если стержни имеют одинаковую длину и модуль упругости, то при А,<1 устойчивость не теряется, а при Х~> 1 происходит динамическое разрушение нижнего стерж­ ня с преобразованием избытка энергии в движении осколков. Однако интенсивность (скорость) разлета величиной X не опреде­ ляется, а существенно зависит от предельной нагрузки, имевшей место перед разрушением. Эта нагрузка, в отличие от X, характе­ ризует не отношение выделяющейся и поглощаемой энергией, а их абсолютное значение. Действительно, как ясно из рис. 63, в рас­ сматриваемом примере в расчете на единицу объема имеется избы­ ток энергии, изображенный заштрихованной площадью. Он со­ ставляет а2о(1/£— 1/М) = а 20(1— 1/Х) /£.