Условия и механизм проявления горных ударов

Горные удары в отдельных горнопромышленных районах мира (например, на шахтах по добыче олова в Англии) известны с первой половины XVIII века. В последние десятилетия они резко участились во множестве рудных и угольных бассейнов. Особенно неблагоприятны в отношении горных ударов рудники Витвотерсранда в Южной Африке и Коларского золотоносного района в Индии, где глубина разработки достигла 3 тыс. м и более. В 1918—1924 гг. на рудниках Витвотерсранда произошло 256 больших горных ударов, ставших причиной 498 ранений и 193 смертельных случаев. За семь лет, с 1957 по 1963 г., в Южной Африке отмечено свыше 500 горных ударов, которые относятся к сильным. Горные удары проявляются в медных, золотых и никелевых рудниках Канады, медных рудниках США, Новой Шотландии, при разработке свинцово-цинковых руд в Восточных Альпах и в других горнодобывающих районах.

За последние полвека наиболее сильные горные удары произошли на соляных шахтах. В отдельных случаях разрушением охватывалась площадь до 3 млн. M2, При этом сотрясение земной поверхности отмечалось на расстоянии нескольких сот километров от эпицентра горного удара.

Проблема горных ударов остро ощущается в разных районах мира и при разработке угольных месторождений. Опасные по горным ударам пласты угля разрабатывают шахты бассейнов Рура в ФРГ, Фюво во Франции, Верхней Силезии в ПНР, Южного Стаффордшира в Англии, Кемберленда в США, Кладно в Чехии, а также ряд шахт ГДР, Канады, Австрии и других стран.

В 1918—1932 гг. при отработке одного только пласта «Солнечный луч» в Рурском бассейне произошло 116 горных ударов, повлекших большие человеческие жертвы. На шахтах Верхней Силезии в 1949—1961 гг. зарегистрирован 2951 горный удар.

Горные удары, как правило, носят характер крупных аварий, резко нарушающих нормальную деятельность предприятия. Поэтому проблема борьбы с ударами, особенно в связи с дальнейшим возрастанием глубины горных работ, стала одной из первоочередных. Большим интересом к этой проблеме объясняется появление значительного количества научно-технических работ, особенно в последнее время.

Обзор литературы подтверждает исключительную сложность проблемы горных ударов, указывает на трудность однозначной общей оценки и рассмотрения отдельных, частных сторон. Это объясняется тем, что возникновение горных ударов, их сила и характер проявления зависят от многих факторов и их конкретного сочетания.

Ho главная сложность заключается в том, что такого рода факторы и их сочетания чрезвычайно многообразны даже в пределах одного рудника или шахты, не говоря уже о месторождениях и бассейнах, находящихся в разных частях земного шара. Поэтому при анализе обстановки возникновения горных ударов в определенном районе необходимо изучать взаимодействие всей системы геологических и горнотехнических факторов, присущих данному району.

Влияние того или иного фактора на формирование и проявление горных ударов может быть определяющим для одного района и малозначащим для другого. Так, считается общепринятым, что глубина горных работ — весьма существенный фактор. Вместе с тем известны случаи, когда горные удары в сравнительно крепких породах возникали на весьма небольшой глубине и даже почти на земной поверхности. Например, удары проявлялись в мраморных карьерах штата Вермонт (США).

Проявление горных ударов обычно связывают с прочными боковыми породами. В большинстве случаев так оно и есть. Однако известно немало примеров, когда удары возникают на пластах, имеющих слабые породы, и даже в условиях плывунов. Так, в почве мощного буроугольного пласта на Шурабском месторождении в России залегает слой глины. В данном случае проявление горных ударов обусловлено малой прочностью и высокой упругостью угольного пласта, для разрушения которого у стенок выработки не требуется значительных опорных нагрузок, а достаточно веса пород до земной поверхности (глубина около 200 м).

Насколько разнообразны геологические и горнотехнические условия, а также их сочетания, обуславливающие проявление горных ударов, настолько разнообразны меры борьбы с ударами и их модификации применительно к отдельным месторождениям и бассейнам. Больше того, для эффективного применения определенной меры необходимо значительное уточнение параметров в каждом конкретном случае.

Попытаемся осветить то общее, что имеется в мировой литературе по рассматриваемому вопросу.

Прежде всего, исследователи сходятся на том, что появление горных ударов определяется рядом естественных факторов, главнейшими из которых в большинстве случаев являются:

- наличие мощных и крепких пластов пород, залегающих в почве и кровле полезного ископаемого;

- крепкий упругий уголь (руда, соль);

- достаточно большая глубина горных работ, не одинаковая для разной прочности полезного ископаемого и окружающих горных пород.

Кроме того, при прочих равных условиях, благоприятствует проявлению горных ударов увеличение мощности пласта.

Перечисленные геологические условия создают возможность горных ударов, но для того, чтобы эта возможность превратилась в действительность, нужно определенное сочетание горнотехнических факторов. К ним прежде всего относятся: ведение работ с оставлением целиков угля (руды); ведение работ под целиками, оставленными на соседних пластах (жилах); изрезанность пласта угля (жилы) выработками; применение камерных и камерно-столбовых систем разработки; ведение работ встречными забоями; отработка сильно напряженных целиков.

Степень и даже характер влияния конкретного геологического или горнотехнического фактора исследователи часто определяют по-разному. Это объясняется различием мнений о механизме горных ударов.

Почти общее признание получила классификация горных ударов по причинам их возникновения, выделяющая; удары давлений (pressure burst) и собственно горные удары (shock burst). Этой классификации придерживаются Д. Филлипс, Г, Райс, И.Е. Бризон, Г. Шпакеллер, Б. Нейман и другие авторы.

Удары давления имеют место тогда, когда целики угля или породы взрываются подобно тому, как взрывается под прессом образец крепкого угля или породы, если давление превышает предел прочности. Причиной шоковых ударов является внезапная разрядка энергии, накопившейся в вышележащей породе в результате ее изгиба. Другими словами, эти удары происходят при внезапном приложении внешней нагрузки. Удары такого типа возможны при; наличии мощных и крепких покрывающих пород, которые взламываются подобно балке или своду, и волна давления, как дополнительная нагрузка, передается на сильно нагруженные целики, вызывая их мгновенное разрушение.

Впервые, по-видимому, подобный взгляд на механизм горного удара высказал Жарлье.

Наиболее четкую формулировку приведенной классификации и попытку ее теоретического обоснования дает Д. Филлипс. Исходным моментом его теории служат основные механические характеристики пород и угля.

Поскольку горные удары представляют собой внезапную разрядку энергии, то, очевидно, они должны иметь свое начало в некоторых видах упругой деформации. Потенциальная энергия, накопленная в упругом теле, в результате работы, производимой внешними силами, действующими на тело, при устранении нагрузки превращается в кинетическую, и тело стремится восстановить первоначальную форму и прежний объем.

Если внешние силы доводят тело до разрушения, то энергия частично высвобождается в виде работы, разрушающей тело, а частично расходуется на восстановление размеров кусков разрушающегося материала, бывшего в сжатом состоянии. В связи с этим Д. Филлипс рассматривает картину накопления и распределения энергии при сжатии целиков угля, а также при изгибе зависающих над выработанным пространством пластов пород.

В Южном Стаффордшире и Ланкашире имели место еще и удары третьего тина. Они происходят тогда, когда выше непосредственной кровли или ниже непосредственной почвы залегает прослойка глины. Вблизи выработок эта прослойка, выдавливаясь в сторону выработки, взламывает слои почвы (или кровли) в форме горного удара. Подобные удары в последние годы стали проявляться и в глубоких шахтах Кизеловского бассейна.

Кроме приведенной выше, имеются классификации горных ударов по территориальному признаку, по роду выработок, в которых они происходят (удары в целиках и удары в забоях).

Иногда горные удары подразделяются на удары, порождаемые внутренними напряжениями, напряжениями, вызываемыми внешними силами, остаточными напряжениями и комбинацией напряжений. В связи с этим автором выделены три группы теорий, объясняющих механизм ударов: теория балки, теория свода и теория разрушения опор.

Из других работ иностранных авторов заслуживают внимания исследования А. Пелнаржа. Сущность его взглядов состоит в следующем. Над выработанным пространством образуется свод давления. Контур свода — это граница между породой, находящейся в пластическом состоянии, и породой, находящейся в непластическом состоянии. Прибавочное давление, создаваемое сводом, сосредоточивается на известном расстоянии впереди линии забоя, т. е. там, где уголь не раздавлен и в состоянии воспринимать давление и передавать его на почву. Горный удар, по Пелнаржу, может произойти в двух случаях:

1) целик или кромка массива угля разрушается от перенапряжения. Образуется новый свод больших размеров, что проявляется как удар;

2) в своде взламывается слой несущей породы («мост»), в результате чего образуется новый свод больших размеров, добавочное давление мгновенно переносится глубже в угольный массив.

Таким образом, то общее, что имеется в иностранной литературе по вопросу о механизме горных ударов, можно сформулировать так: при горном ударе напряженный уголь «взрывается» под влиянием внешней нагрузки со стороны вышележащей толщи. Эта внешняя нагрузка передается на уголь двумя путями: в виде внезапной ударной нагрузки или в виде постепенного увеличения нагрузки.

В последние годы отдельные иностранные исследователи критикуют гипотезу о шоковых ударах. Предпочтение отдается ударам давления, возникающим как результат высвобождения потенциальной энергии, запасенной самим полезным ископаемым под воздействием горного давления.

В советской научно-технической литературе описанная классификация также нашла отражение и оказала известное влияние на формирование взглядов на горные удары, по крайней мере, на первом этапе.

Обсуждение проблемы горных ударов в советской печати началось с 1952 г., когда журнал «Уголь» развернул дискуссию о борьбе с ударами в Кизеловском бассейне. Начало обсуждению положили статьи проф. С.Г. Авершина и инж. С.Е. Григорьева; позднее появились статьи инженеров П.А. Манукяна, Л.В. Кучерского, А.А. Ковшули, А.С. Довбы и канд. техн. наук М.В. Рущинского.

Взгляды большинства авторов близки взглядам на механизм горных ударов и меры борьбы с ними, высказанным С.Г. Авершиным.

Крепкий упругий уголь в зонах интенсивного опорного давления накапливает в себе огромные запасы энергии упругой деформации. При быстрой пригрузке со стороны пород кровли, когда превышается предел несущей способности целика или кромки массива угля, происходит мгновенное высвобождение энергии, сосредоточенной в угле, следствием чего является горный удар. Предполагается при этом, что пригрузка может произойти в силу ряда причин, в том числе при отработке или раздавливании соседних целиков угля, при динамическом ударе от взрывания шпуров, «в результате удара со стороны кровли на контакте с пластом угля, вследствие обрыва зависших пород основной кровли над очистным пространством и возвращения при этом в первоначальное положение толщи пород над целиком».

В другой работе С.Г. Авершин говорит, что одной из причин, вызывающих быстрое возрастание напряжений, является возникновение глубоких трещин в слоях кровли над целиком угля при сохранении их зависания. В случае образования таких трещин давление зависших пород кровли будет передаваться на меньшую площадь, т. е. вызовет ударного характера нагрузку на уголь, что приведет к внезапному высвобождению упругой энергии, сконцентрированной в угле. При этом разрушение напряженного угля начинается с образования трещин, вокруг которых мгновенно возрастает концентрация напряжений, а сами трещины являются источником упругих колебаний. Под действием последних ускоряется возникновение критического состояния в угле, заканчивающегося его разрушением в виде горного удара.

Иной взгляд высказал С.Е. Григорьев. Он считает, что «разрушительная сила горных ударов является результатом мгновенного перераспределения упругих напряжений, накапливающихся в породах кровли». В этом случае на контакте с углем в кровле «концентрируются колоссальные сжимающие напряжения, вызываемые изгибающими моментами». Эти напряжения «являются главным источником живой силы при горных ударах». Нарушение равновесия пород., кровли, происходящее при обрушении (частичном или полном) консолей, сводов и мостов, «вызывает мгновенное перераспределение скопившихся упругих напряжений сжатия», что и проявляется как горный удар.

Важной работой, появившейся в начальный период исследований горных ударов в нашей стране, является книга С.Г. Авершина «Горные удары». Наиболее существенными и новыми в ней представляются постановка и решение вопросов классификации горных ударов по силе их проявления и вопросов, касающихся энергетической стороны горных ударов. Энергия горного удара рассматривается как потенциальная энергия, возникающая при упругом деформировании угольного пласта в очаге удара. Автор изложил принципиальный подход к расчету воздействия силы горного удара на крепь горных выработок.

Надо отметить, что приведенные выше работы (в том числе и иностранные) не дают всестороннего освещения механизма горных ударов. Например, неясно, почему при горном ударе образуется щель между целиком угля и кровлей; почему образуется слой тончайшей пыли на контакте угля с боковыми породами; чем объяснить передачу сотрясений горных пород при горных ударах на большие расстояния и, наконец, какие процессы происходят в целике угля перед горным ударом. Отсутствуют также достаточно четкие представления о влиянии отдельных производственных процессов на проявление горных ударов.

В 1952—1953 гг. была высказана гипотеза о механизме горного удара, согласно которой в подготовке и проявлении удара участвует вся система «боковые породы — уголь». Горный удар при этом представляется как хрупкое разрушение предельно напряженного целика или. краевой части пласта, происходящее в результате несоответствия скорости нагружения и максимально возможной скорости пластического деформирования пласта угля. При этом большую роль в проявлении удара играет выявленный нами толчкообразный характер деформирования угольного пласта в зоне предельно напряженного его состояния. Активное участие боковых пород в горном ударе трактовалось нами, в отличие от зарубежных исследователей, не как разрядка напряжений, возникающая при взламывании изогнутого мощного слоя кровли, а как результат мгновенного расширения пород при разгрузке.

Этот взгляд на механизм горного удара был принят в качестве рабочей гипотезы при проведении научных исследований на шахтах бывш. Советского Союза.

Преимущество указанной гипотезы состоит в том, что она объясняет перечисленные выше особенности проявления горных ударов и, что очень важно, отвечает на вопрос, откуда берутся громадные запасы энергии, участвующие в проявлении горного удара.

Отдельные положения гипотезы находят подтверждение в зарубежных исследованиях. Так, о возможности высвобождения больших запасов энергии из горных пород говорится в работе.

В последние годы аналогичный взгляд на механизм горного удара высказал О. Якоби. Он, в частности, признает роль контактного трения в толчкообразном деформировании краевой части пласта угля и упругое расширение пород кровли, проявляющееся как колебание. Трактовка горного удара как хрупкого разрушения, происходящего в результате несоответствия скорости нагружения и предельной скорости деформирования горной породы (угля), дается также Р. Квапилом.