книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Горное давление представляет собой собирательное понятие в горной геомеханике, объединяющее совокупность силовых полей (напряженных состояний), формирующихся в земных недрах вслед­ ствие ряда естественных и производственных воздействий. Главным постоянно и повсеместно действующим возбудителем горного давле­ ния служит гравитация. Дополнительными возбудителями, имею­ щими разную распространенность, длительность и силу действия являются геотектонические процессы, а также производственная деятельность человека по добыванию полезных ископаемых, строи­ тельству подземных и наземных сооружений. Непрерывно или скач­ кообразно перераспределяясь в породных массивах в силу различных причин, горное давление способно производить как разрушительную, так и полезную работу, например, по облегчению добычи полезных ископаемых. Ряд явлений, вызываемых горным давлением: дефор­ мации, смещения и разрушения элементов породных массивов и земной поверхности; взаимодействие элементов породных массивов и земной поверхности; взаимодействие элементов массива с инже­ нерными сооружениями, в том числе нагружение крепей горных выработок, известны в технике под названием «проявлений горного давления», управление которыми представляет одну из важнейших практических задач горного производства и горной науки. Пра­ вильно располагая, проводя и поддерживая выработки, горное про­ изводство имеет мощное средство эффективного местного регулиро­ вания горного давления (рис. 2), что находит широкое примене­ ние на шахтах, например, при ликвидации таких грозных явлений, как горные удары, за счет опережающей выемки «защитных» пластов.

Одним из существенных горногеомеханических явлений нужно считать нередко встречаемые, упомянутые выше) нарушения мас­ сивов горных пород, происшедшие в периоды, когда в силу различ­ ных причин (преимущественно тектонических процессов) массивы или их определенные области достигали предельных состояний, реа­ лизовавшихся дислокациями.

Механические процессы в горной геомеханике понимаются как последовательные изменения во времени и в зависимости от обста­ новки механических состояний и свойств массивов или их элементов, а также изменения взаимодействия элементов массивов между со­ бой с элементами инженерных сооружений и других объектов.

Происходит постепенное развитие упругих (упругое последей­ ствие) и неупругих (ползучесть) деформаций при неизменном на­ пряжении. Снижается прочность материала (длительная прочность). Осуществляется растрескивание элементов на участках, где напря­ жения или деформации достигли предельных значений. Видоизме­ няется само напряженное состояние, вследствие происшедших де­ формаций и разрушений (релаксация, разгрузка и т. д.).

31

Имеют место и противоположные процессы — повышение проч­ ности разрушенных пород, вследствие их уплотнения (слеживания).

Главное изменение напряженно-деформационных полей проис­ ходит под влиянием внешних воздействий, из которых наибольшую роль обычно имеет развитие горных работ. Например, с увеличе­ нием площади очистной выемки увеличиваются и распространяются действующие напряжения и деформации, происходят расслоения пород, их последовательное оседание, обрушение, деформации тол­ щи и земной поверхности, рост нагрузок на крепь и т. п.

Перечисленные процессы выражают определенные объективные закономерности эффекта реакции массивов на воспринимаемые ими воздействия. Познание этих закономерностей и рациональное исполь­ зование их в целях управления механическими процессами есть, в сущности, главный предмет горной геомеханики в его концентри­ рованном выражении.

Основные факторы, влияющие на механические процессы в мас­ сиве горных пород при ведении горных работ, можно подразделить на следующие группы:

П о с т о я н н о и п о в с е м е с т н о д е й с т в у ю щ и е : гравитация; механические свойства массивов горных пород; рельеф поверхности;

происхождение и история формирования массивов; прочие существенные факторы этой природы (например, «при­

ливные» явлений в земной коре) *.

В р е м е н н о и л и л о к а л ь н о д е й с т в у ю щ и е : тектоника; подземные воды и газы; карсты и нарушения;

соседние выработки (их размеры, расположение и способы ох­ раны), различные сооружения на поверхности, существенно пригружающие массив;

факторы выветривания, коррозии, вымывания, растворения; массовые взрывы; прочие существенные факторы этой категории.

* Существенность факторов условна. Она зависит от рода задачи. Так, «приливные» явления, несущественные в большинстве задач, мо­ гут оказаться существенными в отдельных случаях (например, при изучении горных ударов для состояний, близких к предельным).

Существенным событием считается, то, влияние которого на изучае­ мый объект выражается либо в качественном изменении объекта, либо в количественном изменении его характеристики, соизмеримом с на­ чальным ее значением.

32

Необходимо устанавливать наличие указанных факторов и оце­ нивать степень их влияния, которая может быть самой различной. Целесообразно анализировать возможно более полный перечень факторов и последовательно исключать из них несущественные, ру­ ководствуясь имеющейся информацией и теоретическими соображе­ ниями, выделяя главные и специфические.

Такими специфическими факторами являются:

Вк а п и т а л ь н ы х выработках реологические свойства пород —

—длительная прочность и деформируемость, особенно существенно проявляющиеся за продолжительный срок службы этих выработок.

В п о д г о т о в и т е л ь н ы х выработках — влияние очистных ра­ бот— неизбежное и весьма существенное на определенных стадиях службы выработок.

Для о т к р ы т ы х выработок — механические свойства и состоя­

рождений характерны большие площади подработки, вследствие чего специфическим фактором является прочность и мощность слоев и прочность контактов слоистой кровли, определяющие условия их расслоения и разрушения.

Практика горного дела свидетельствует о том, что технические возможности трансформации механических систем (т. е. изменения свойств и состояний элементов породного массива), если и нельзя считать безграничными, то вполне можно признать исключительно широкими, диапазоны которых, в сущности, ограничиваются лишь экономическими соображениями или требованиями безопасности, имеющими решающее значение. При целенаправленном проведении соответствующих горнотехнических операций несущая способность элементов массива горных пород может быть существенно повышена или, наоборот, снижена. Напряжения, действующие в какой-либо области, могут быть, как правило, либо многократно увеличены, либо резко уменьшены. Участки могут быть осушены, или, наобо­ рот, увлажнены; подземные воды могут быть заморожены, а мер­ злые породы оттаяны, если в этом есть необходимость; газообиль­ ные пласты — дегазированы; монолитные породы — нарушены, а мно­ гие классы нарушенных пород— восстановлены до неких монолитных состояний за счет цементации или даже просто длительного слежи­ вания под давлением.

За счет определенных воздействий на породный массив можно изменять не только свойства, но даже самую механическую модель системы. Например, сплошная среда, которую представляют мно­ гие породные массивы, может быть преобразована в существенно­ дискретную среду за счет расслоения, блокообразования и других изменений.

33

Средства инженерного воздействия на массив горных пород, имеющего целью направленное управление механическими процес­ сами, сводятся к следующим трем группам работ:

П р о в е д е н и е в ы р а б о т о к и в ы бо р и х р а с п о л о ж е н и я , р а з м е р о в , форм, крепления, охраны, технологии и последователь­ ности прохождения (или отработки запасов, если имеются в виду очистные выработки).

О б р а б о т к а м а с с и в а (осушение, увлажнение, заморажи­ вание, цементация, закладка полостей, химическое или электри­ ческое воздействие).

П р о ч и е в о з д е й с т в и я .

Совокупность горнотехнических операций по направленному из­ менению свойств и состояний горных пород, имеющему целью об­ легчение выемки полезного ископаемого, обеспечение безопасности и повышение производительности труда объединяется под общим наименованием « у п р а в л е н и я г о р н ы м д а в л е н и е м » .

Взависимости от конкретного сочетания исходных данных (ха­ рактеристики начальных свойств и состояния массива); рода, вели­ чины и длительности дополнительных воздействий (обработки мас­ сива); проведения выработок, их крепления и пр., зарождаются и развиваются многочисленные разновидности конкретных проявле­ ний горного давления.

Для рационального управления всеми этими процессами необ­ ходимо изучить объективные законы их зарождения и развития с тем, чтобы за счет правильного применения действия управляемых человеком факторов получить в данных условиях наибольший поло­ жительный эффект при наименьших возможных затратах труда, ма­ териалов и средств.

Вэтом отношении важное место отводится изучению законо­ мерностей взаимодействия крепи подземных выработок с массивом горных пород. Комплекс основных элементов этого взаимодействия представлен табл. 1.

Реальные зависимости механики горных пород имеют двойст­ венную закономерно-вероятностную природу.

Всвязи с этим большинство параметров механики горных пород (в том числе показатели механических свойств пород) имеют ста­

тистический характер, а закономерности этой науки, строго говоря, должны оцениваться с позиций теории случайных функций. Пред­ ставления же о том, что каждому значению аргумента соответ­ ствует определенное значение функции, характеризующей проявле­ ние горного давления, справедливо лишь в той мере, в какой сред­ нее значение может характеризовать совокупность чисел, рассеянную вокруг него.

34

§3. Цели, задачи и приложения горной геомеханики

Гл а в н а я ц е л ь г о р н о й г е о м е х а н и к и состоит в том, чтрбы выработать и применить обоснованные способы надежного, эффек­ тивного и экономного управления механическими процессами, проис­ ходящими в земных недрах при горных работах.

Основными механическими процессами, как отмечалось выше, являются вызванные горными работами или иными причинами про­ цессы деформирования, напряжения и разрушения элементов пород­ ного массива и связанных с ним инженерных сооружений и других объектов. Управлять этими процессами — значит искусственно со­ здавать условия для осуществления требующихся явлений и в пер­ вую очередь:

сохранение устойчивости элементов массива, горных пород, кре­ пи, инженерных сооружений и иных ответственных объектов в тече­ ние срока их существования или службы;

разрушение (раздробление, отделение от массива) полезного ископаемого при добывании, а также пустых пород при вскрытии, подготовке и эксплуатации месторождений.

Таким образом, управление механическими процессами в горной практике направлено, преимущественно, на создание предельного состояния в элементах массива горных пород или на предотвраще­ ние предельного состояния в этих элементах, а также в детялях инженерных сооружений или ественных объектов.

Создавать предельные состояния необходимо преимущественно тогда, когда требуется неупруго деформировать (в том числе раз­ рушить) определенный элемент массива (например, обрушить кровлю), вызвать образование трещин и дегазировать угольный пласт, обеспечить «отжим» полезного ископаемого и т. п.

Предотвратить создание предельного состояния необходимо в тех случаях, когда требуется сохранить устойчивое состояние, например, обеспечить устойчивость кровли, подошвы, крепи или боков под­ земной выработки, откосов бортов открытой выработки, элементов наземных или подземных сооружений.

Создание или недопущение предельных состояний требуется во вполне определенных местах и только в определенные моменты или периоды времени. Например, обрушение кровли в лаве производится через установленный «шаг посадки» и после завершения соответ­ ствующего числа выемочных циклов, т. е. через несколько часов или суток. Капитальная выработка (например, ствол) поддерживается в устойчивом состоянии годы и даже десятилетия, впредь до отра­ ботки обслуживаемого ею шахтного поля. Угольный пласт, опасный по горным ударам, обезопашивается посредством предварительной отработки «защитного» пласта с таким расчетом, чтобы он обяза­ тельно был разгружен к моменту его разработки и не успел еще посстановить удароопасность.

36

Одним словом, система управления механическими процессами или «управление горным давлением» должна быть такова, чтобы гарантировано создать требуемое напряженно-деформированное (в частности предельное) состояние массива в назначенном месте и в назначенное время.

Для того, чтобы уметь вызывать или предотвращать предельные состояния данного элемента механической системы, надо знать условия наступления этого состояния в зависимости от конкретной обстановки: исходных свойств и состояния системы, а также от ком­ бинации влияющих на нее факторов, которые могут регулироваться производственниками.

О с н о в н у ю з а д а ч у г о р н о й г е о м е х а н и к и в общем виде можно сформулировать как задачу определения напряженно-дефор­ мационного состояния массива (механические свойства которого заданы) в зависимости от испытываемого им комплекса естествен­ ных (например, гравитационные напряжения, тектонические напря­ жения) и производственных (например, проведение нескольких вы­ работок) механических воздействий. Решив эту задачу, возможно рассчитать интересующие инженера величины, например, опреде­ лить, что при ширине пролета выработки меньше некоторого предела кровля будет устойчива, а при превышении этого предела — обяза­ тельно обрушится. Общая задача горной геомеханики по основным направлениям приложения результатов решения подразделяется на следующие т и п о в ы е з а д а ч и :

1. Определение условий обеспечения (осуществления): необходимой устойчивости элементов породного массива, обыч­

но— кровли, подошвы и боков выработок, различного рода целиков, а также деталей подземных или наземных сооружений и других ответственных объектов;

эффективного разрушения предназначенных для этого элементов массива (отжим пласта полезного ископаемого; планомерное обру­ шение кровли в очистных выработках, предварительное разрушение ударо- и выбросоопасных пластов и т. п.).

2. Определение закономерностей и параметров рационального взаимодействия элементов массива между собой, а также с крепью горных выработок и с элементами инженерных сооружений при ве­ дении горных работ.

Каждая из этих задач может, в зависимости от конкретной об­ становки, решаться в статической, реологической и динамической постановках, т. е. когда можно пренебречь изменениями исходных данных и условий во времени; когда можно пренебречь только инер­ ционными силами и, наконец, когда надо учитывать и силы инерции.

Кроме упомянутых выше подходов к разделению многочислен­ ных задач горной геомеханики, следует отметить также, что в чисто производственном плане наиболее существенные технические задачи этой науки могут быть кратко охарактеризованы табл. 2.

37

Горной геомеханике приходится встречаться с механическими системами и механическими процессами разнообразной и сложной природы и разнообразных форм протекания. Массивы горных пород неоднородны как в пространстве, так и во времени. Изменения в них могут происходить как непрерывно, плавно, так и прерывно, скач­ кообразно.

Изменчивостью механических свойств пород, далеко не исчер­ пывается сложность задач горной геомеханики. Сами залежи по­ лезных ископаемых и строение толщ пустых пород зачастую (осо­ бенно на рудных месторождениях) имеют неправильные и неподдающиеся точным математическим описаниям формы. Массивы гор­ ных пород часто нарушены, обводнены или газообильны, а иногда обладают особыми свойствами, делающими их опасными по горным ударам, внезапным выбросам или прорывам пород в выработки. Совокупность горных выработок, их размеры, формы, степень взаи­ мовлияния друг на друга не остаются постоянными, но могут сильно меняться.

Перечисленные и другие особенности проблем горной геомеханики крайне осложняют исследования и заставляют очень внимательно относиться к формулированию, подготовке и постановке исследо­ вательских задач и к выбору рациональной и экономичной методики их исследования.

§ 4. О методике исследования задач горной геомеханики

Основные задачи горной геомеханики исследуются тремя группами научных методов: натурными, лабораторными и аналитическими, а также комплексными методами, представляющими сочетание любых двух, либо всех трех названных выше групп.

В последующих главах дается подробная характеристика каж­ дой группы. При этом основные общеметодические положения осве­ щаются в главах II—V, а комплексный метод рассматривается в главах VI—XI для следующих видов основных производственно­ технических объектов:

1.Нетронутый массив.

2.Капитальные и подготовительные выработки.

3.Очистные выработки на угольных месторождениях.

4.Рудные месторождения.

5.Открытые работы.

6.Сдвижение толщ пород и земной поверхности.

7.Горные удары.

Комплексные исследования применяются обычно при изучении проблем, которые не могут быть достаточно надежно, полно и точно исследованы с применением какого-либо одного из методов.

39