книги / Механика горных ударов и выбросов

Нужно, однако, иметь в виду, что любая подобная граница не уни­ версальна и может изменяться при значительных изменениях в условиях разработки. В случаях, когда модули упругости и пре­ делы прочности для рассматриваемого класса пород остаются на одном уровне, их при сравнении потенциальной опасности можноне учитывать. Тогда показателем опасности материала оказывает­ ся только модуль спада М, характеризующий склонность к потере устойчивости.

6.3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ

Сравнение опасности различных типовых горнотехнических и горно-геологических ситуаций необходимо проводить, фиксируя; свойства материала, в котором возможны горные удары. При этом основной характеристикой, согласно (3.14), является приток энер­ гии из нагружающего устройства — вмещающих пород. Поэтому сравнению подлежат прежде всего притоки энергии *. Они харак­ теризуют как саму возможность горных ударов, так и их интенсив­ ность. Подобному сравнению отвечает в сущности классификация горных ударов по месту их проявления [47]. Поэтому .рассмотрим последовательно схемы (см. рис. 60), на котором дана такая клас­ сификация.

Подготовительные выработки (см. рис. 60,а ). Этот класс харак­ теризуется тем свойством, что опасность возникает в первую оче­ редь в случаях, когда необратимо деформирующийся у выработки материал окружен породами с той же либо меньшей жесткостью. Например, если у обнажения имеется зона запредельных деформа­ ций, распространение которой сдерживается из-за неоднородности строения массива, то в осесимметричной задаче о цилиндрической выработке согласно (1.34) имеем условие опасности

( l + v , ) £ ,

где а — размер зоны необратимых деформаций; h — половина вы­ соты выработки; М — модуль спада разрушаемого материала; Е1— модуль упругости в окружающей его области. Эта формула, применима, если материал у контура не разрушен полностью, т. е. не достиг остаточной прочности о* (см. рис. 3). При этом для не­ закрепленной подготовительной выработки размер а зоны необра­ тимых деформаций обычно не превышает h, и опасность в соответ­ ствии со сказанным возникает, когда Е ^ М .

* Эти притоки, как отмечалось, с точностью до множителя определяются квадратами коэффициентов интенсивности. Поэтому все рассуждения можнопроводить, используя ki. Однако, по сравнению с fti, приток энергии имеет бо­

лее простую физическую интерпретацию, что делает оценки на его основе более наглядными.

Для закрепленных выработок опасность горных ударов зависит от качества крепления. Если крепь достаточно прочна, то удара быть не может, так как он происходит только после поломки г.рузоиесущей крепи. Таким образом, следует различать случаи не­ закрепленных и закрепленных выработок. Они характеризуются соответственно сохранением прочности пород у контура и полной потерей ее, т. е. деформацией на участках остаточной прочности.

В первом случае материал у контура, хотя и деформируется на запредельном участке диаграммы, но обладает достаточной проч­ ностью. Решающую роль играют неоднородности строения массива и условий нагружения. Горный удар происходит вскоре после фор­ мирования зоны необратимых деформаций у контура при сравни­ тельно небольшом ее развитии *. Его опасность может быть про­ слежена по возникновению заколов, отслоений на стенках и тому подобных явлений. Подобная ситуация характерна для прочих хрупких пород. С целью предотвратить динамическое явление можно использовать разгрузку от горного давления, искусственное создание буферной зоны у контура путем рыхления, выкладывание бутовых полос и т. д.

Во втором случае постановка крепи сдерживает развитие зоны необратимых деформаций и тем самым препятствует недопустимо большому росту смещений. При этом чем меньше сопротивление крепи, тем больше буферная зона у контура, в которой деформа­ ции происходят на горизонтальных участках запредельных диа­ грамм (М = 0). Если такое уменьшение происходит быстро, напри­ мер крепь ломается, то развитие буферной зоны, т. е. снижение модуля спада до нуля, не успевает за уменьшением отпора. Фак­ тически мгновенно создается ситуация с фиксированной зоной не­ обратимых деформаций, которая не соответствует состоянию рав­ новесия и которая подобна той, которая рассматривалась на при­ мере неоднородного кольца в разделе 1; происходит динамический скачок к новому состоянию равновесия. На примере осесимметрич­ ной задачи нетрудно подсчитать выделяющуюся энергию и ско­ рость движения разрушаемого материала при условии, что энер­ гия, необходимая для разрушения крепи, известна из ее испытаний. Не останавливаясь на этом, заметим, что радикальным средством борьбы с динамическими проявлениями горного давления в за­ крепляемых подготовительных выработках является правильное проектирование крепи. О принципах его выполнения говорилось в 1.3. Подчеркнем, однако, целесообразность увеличения разрых­ ленной буферной зоны у контура и снижения горного давления

вместе проведения выработки.

*Напомним, что образование зоны необратимых деформаций само по себе еще не означает полной потери прочности. Деформации протекают на наклон­ ных участках диаграмм, изображенных на.рис. 3. Только при достаточно разви­

(см. рис. 3). При этом требуется крепление выработки, т. е. имеет месит уже второй случай.

Рассмотрим приток энергии к подготовительной выработке, чтобы в дальнейшем иметь возможность сравнивать с изучаемым случаем горные удары других классов. Согласно формуле (1.41) имеем на единицу длины выработки

—ДЭ = те аг,

что при a » h дает —A 9 3 « jw 2oft2/£i *. Если учесть, что предел прочности в некоторой зоне у контура достигается при у Я « а 0, то отсюда следует оценка

очистных выработок полностью характеризуются притоком энер­ гии на единицу приращения площади почвы —ДЭ/ÂSi. Эта вели­ чина определяется по формуле (5.38), и для изолированной пря­ моугольной горизонтальной выработки с меньшим размером 2хо на глубине Я с учетом выражения (6.52) для коэффициента ин­ тенсивности ki имеем

где величина % в функции от соотношения размеров выработки дается графиком (см. рис. 47), а параметр qc, характеризующий давление пород кровли на почву выработки, определен формулой (4.53).

Приток энергии, опасность возникновения и сила горных уда­ ров растут с увеличением глубины разработки, пролета выработки и с уменьшением модуля упругости вмещающих пород. Для очист­ ной выработки с пролетом 100 м приток энергии примерно в 50 раз больше, чем для выработки шириной 2 м, при одинаковых прочих внешних условиях (глубине и модуле упругости в первую очередь). Поэтому, если пласт вынимается на полную мощность, то опас­ ность возрастает с развитием очистных работ. Однако, если внеш­ ние условия изменяются, то могут возникать ситуации, в которых подготовительные выработки опаснее очистных.

Рассмотрим, например, мощный пласт хрупкого угля, заклю­ ченный в жестких породах. Подготовительная выработка в нем (рис. 64, а) оказывается опасной, так как для приконтурной зоны внешнее нагружение создается тем же углем с невысоким (по сравнению с вмещающими породами) модулем упругости. В ка­ честве Е\ в (5.50) следует взять модуль упругости угля. Для

* Строго говоря, формула (1.41) в соответствии с допущением, принятым при ее выводе, точна лишь при значениях а, существенно меньших Л. Здесь она

используется при а~Л только для ориентировочной оценки порядка выделяю­ щейся энергии.

очистной же выработки (рис. 64,6) в этом пласте опасности мо­ жет не быть, так как внешнее нагружение осуществляется жест­ кими породами — роль Е\ в (5.50) выполняет их модуль упруго­ сти, который значительно больше модуля упругости угля. Кроме того, с увеличением отрабатываемой мощности растет и поглоще­ ние энергии, так как возрастает объем необратимо деформируе­ мого материала.

Зависимость притока энергии от сдвижения пород кровли и взаимодействия их с породами почвы в большинстве случаев срав­ нительно слабая. Достаточ­

ны) выработки, то очевидно, что роль сдвижения пород кровли невелика сравнительно с другими внешними факторами. Положе­ ние меняется лишь в том случае, когда стабилизация опорного давления происходит при малых пролетах выработки и не обу­ словлена соотношением ее сторон. Это имеет место либо при от­ работке очень тонких слоев, либо когда невелика эффективная мощность 2/гэ — меньше критической мощности, определяемой по формуле (4.8). Напомним, что согласно (4.8) эффективная мощ­ ность зависит от свойств закладочного материала. Только при малой усадке, качественном заполнении выработанного простран­ ства и не слишком большой мощности отрабатываемого слоя воз­ можно заметным образом снизить удароопасность с помощью за­ кладки.

В условиях плоской задачи в пренебрежении давлением пород кровли на почву выработки из (6.3), обозначая приток энергии

с размером зоны необратимых деформаций а, близким к ,г*о, при горном ударе в этой зоне на единицу длины (A S i= a -l) согласно

ных выработок оказываются вполне приемлемыми и для вырабо­ ток с небольшими пролетами.

бует интегрирования и для горизонтальных выработок на глуби­ не Я приводит к асимптотической формуле

Из этой формулы нетрудно заключить, что горный удар в це­ лике значительно опаснее по интенсивности, чем удар в краевой

Вкачестве второго важного для

практики примера рассмотрим периодическую систему целиков (см. рис. 65, б) . В этом случае приток энергии на единицу площа­ ди определяется формулой

- A 9 4 = - A 9 0-^ -tgi44,

где

А— — — —

ц— 2 1 + L/xu

График функции ДЭц/ДЭо для этого случая изображен на рис. 66 пунктирной линией. Сравнение с данными для целика, на­

целика через предельный размер осуществляется при большей жесткости внешней системы. Поэтому вероятность горных ударов в прорезанных целиках при переходе их через предельный размер несколько меньше, чем в сплошных.

Другой особенностью является большее обжатие со стороны очистных и большие градиенты опорных нагрузок со стороны под­ готовительных выработок. Поэтому в случае потери устойчивости разрушение развивается со стороны подготовительной выработки до ее заполнения. Выделение энергии оценивается формулами для подготовительной выработки,- но при уровне внешних нагрузок* характерном для разрушаемого целика. Эта энергия, и соответст­ венно интенсивность горного удара, существенно меньше, чем при ударе в сплошном целике. Таким образом, с точки зрения сте­ пени устойчивости рассматриваемый случай близок к случаю* сплошного целика, а по интенсивности удара он сходен со слу­ чаем удара в подготовительной выработке, хотя интенсивность все же несколько больше.

Целик, отделенный от массива выработкой (см. рис. 60, д). Опорная нагрузка со стороны очистной выработки больше, чем со стороны подготовительной. Ее эпюра подобна той, которая от­ вечает левому целику на рис. 67. Причина асимметрии и больших градиентов со стороны подготовительной выработки та же — со стороны выработанного пространства целик обжимается больше. Следствием, как и в предыдущем случае, является основное раз­ витие горного удара в сторону подготовительной выработки, хотя происходит разрушение и в сторону рабочего пространства.

Устойчивость оценивается методами, описанными в предыду­ щих разделах. Она больше, чем для изолированных целиков, но меньше, чем для краевой части пласта при отсутствии целика. В целом вероятность удара при подходе очистных работ к пере­ довой выработке довольно велика.

Ситуация, в некоторой степени сходная с рассматриваемой схемой, возникает при подходе к геологическому нарушению. Роль передовой выработки при этом играет зона сильно поврежденного тектонически перемятого материала, способность которого вос­ принимать нагрузки снижена. По мере приближения к нарушению

своеобразный целик из более прочного, не поврежденного текто­ ническими процессами материала, отделяющего эту зону от очист­ ной выработки, уменьшается, а средние напряжения в нем растут, достигая предельного значения. Если при этом выполняется усло­ вие неустойчивости, то разрушение целика происходит динами­ чески— имеет место горный удар. Для того чтобы избежать таких явлений, целесообразно вести горные работы от нарушения, а не к нему.

Влияние неоднородностей строения краевой части также мож­ но уподобить наличию своеобразных целиков, воспринимающих нагрузки. Если их раздавливание происходит в «мягком» режиме, то происходит горный удар.