Поведение пород и угля в области предельно напряженного состояния краевой части пласта

Сказанное ранее о зоне опорного давления дает лишь некоторую усредненную и приблизительную ее характеристику.

В действительности же размеры зоны, величина концентрации нагрузок в ней и местоположение ее характерных точек не стабильны. Они изменяются в зависимости от времени, характера и степени воздействия производственных процессов на угольный пласт, как опору. Наибольшему влиянию подвержена часть зоны опорного давления в области с максимальными нагрузками и прежде всего в краевой части пласта, находящейся в предельно напряженном состоянии.



Подвигание очистного забоя сказывается впереди него на расстоянии до 0,3—0,5 l (l определяется по графику на рис. 30) в виде повышенных скоростей деформации угля и сближения боковых пород в выработках. Это влияние тем больше, чем шире вынимаемая лента угля и значительнее скорость ее выемки.

Характер погружения краевой части пласта угля в значительной степени определяется способом выемки. Величины деформации угля в боковых породах в районе угольного уступа, образованного очистными работами, также тем больше, чем больше ширина захвата и скорость выемки.

Впереди подвигающегося уступа происходит процесс перераспределения нагрузок на угольный пласт, вызванный взаимодействием двух зон опорного давления: зоны опорного давления, установившейся впереди очистного забоя в целом, и зоны, вызванной влиянием уступа. При этом следует иметь в виду, что до зарубки пласта угля его краевая часть была в предельно напряженном состоянии и предельно насыщена потенциальной энергией упругого сжатия. Наложение зоны опорного давления, вызванной подвигающимся уступом, создает условия неустойчивого равновесия, в которых совершается переход в предельно напряженное состояние пласта угля впереди бара машины. Характер этого процесса зависит от соотношения скорости приложения дополнительных нагрузок и возможной скорости передачи их в глубь массива угля за счет пластических деформаций. На пластах, опасных по горным ударам, скорость приложения нагрузок часто превышает скорость выхода пласта из-под нагрузки, что приводит к возникновению хрупкого разрушения угля в виде толчков, микроударов и собственно горных ударов.

Многочисленные учащенные во времени наблюдения с помощью одной пли нескольких индикаторных головок одновременно, проведенные в опасных по горным ударам лавах № 281 шахты им. Урицкого, № 521. 522 и 226 шахты нм. Калинина, а также в лавах на пласте № 11 шахты № 4 Кизеловского бассейна, позволили установить следующее.

1. В момент толчка или микроудара происходит мгновенная подвижка кровли по нормали и мгновенная подвижка угля в сторону выработанного пространства. Величины подвижек колеблются от 0,01—0,05 мм до нескольких миллиметров.

2. Толчки появляются сразу же впереди бара машины. Средние скорости смещения кровли в этот момент достигают 15—18 и даже 25 мм/час.

3. При толчках, которые происходят не в месте наблюдений, а выше или ниже его, также отмечаются мгновенные подвижки угля и кровли, по они появляются на фоне средних скоростей смещения кровли, не превышающих обычно 5—6 мм/час.

4. Перед очередным толчком обычно имеет место замедление скоростей смешения кровли. Это явление, отмеченное впервые в 1951 —1952 гг. в Кизеловском бассейне, является, как позднее было установлено инструментальными наблюдениями, весьма характерным не только для проявления горных ударов, но и для проявления внезапных выбросов угля и газа.

5. Выдавливание угля из забоя носит аналогичный характер. Однако соотношение скоростей смещения кровли и выдавливания угля изменяется в зависимости от положения врубовой машины или комбайна в лаве.

При работе комбайна в лаве №281 на расстоянии менее 10 м от точки наблюдения скорости выдавливания угля, как правило, больше скоростей смещения кровли. Особенно это проявляется с расстояния 7—8 м, когда скорости выдавливания угля в несколько раз превышают скорости смещения кровли. Величина отношения скорости выдавливания к скорости смещения колеблется в пределах от 1, когда комбайн находится далее 10 м от пункта наблюдений, до 2—3 при расстоянии менее 10 м. В отдельные моменты, особенно при сильных толчках, это соотношение возрастает до 5—6 и более. Характерно, что в моменты остановки комбайна, особенно при длительной остановке забоя, величина соотношения скоростей приближается к единице.

Это говорит, во-первых, о том, что в момент работы комбайна (или врубмашины) в районе комбайнового уступа развиваются силы, достаточные для деформирования более широкой полосы угля и выдавливания ее в сторону выработанного пространства, причем основное выдавливание происходит в момент толчков и микроударов. В неработающем забое (в условиях установившегося давления) деформированию подвергается в основном кромка угля, в результате чего создаются условия для защемления угля прогнувшейся кровлей.

Результаты инструментальных наблюдений показывают, что в периоды остановки забоя возможны случаи, когда краевая часть пласта даже вдавливается в массив.

Во-вторых, существенную роль в возрастании отношения величины выдавливания угля к величине сближения боковых пород играет, по-видимому, эффект увеличения объема, возникающий в пласте угля при деформации его под воздействием трехосного неравномерного сжатия.

Частота и интенсивность толчков и микроударов при работе добычных машин сильно меняются по длине очистного забоя. При ведении очистных работ без целиков у вентиляционного горизонта максимум их находится в верхней части лавы. При ведении работ с целиками максимум располагается ближе к середине лавы.

На рис. 35 приводятся данные регистрации толчков при работе врубовой машины в одной из лав шахты № 4 Кизеловского бассейна, отрабатывающей пласт № 11 крутого падения, опасный по горным ударам. Боковые породы — крепкие кварцевые песчаники. Большее проявление толчков в верхней части лавы в сравнении с нижней объясняется тем, что оставленные на вентиляционном горизонте целики не в состоянии полностью защитить забой лавы от влияния опорных нагрузок, вызванных зависанием пород вышележащего отработанного этажа. Заслуживает внимания факт последовательного проявления сильных и слабых толчков. Сильное разрушение вызывает, как правило, серию слабых разрушений, количество которых затухает во времени. Затем опять наступает серия крупных разрушений и т. д.

Инструментальными наблюдениями на пластах, опасных по внезапным выбросам, МакНИИ установлено наличие знакопеременных деформаций боковых пород, способствующих измельчению угля и, следовательно, выбросу угля и газа. На возможность такого участия боковых пород в процессе подготовки и проявления выбросов указывалось ранее.

Интересные материалы о поведении угля в период подготовки и проявления толчков и микроударов дали опыты по воспроизведению толчков. Они проводились путем искусственного нагружения участка пласта угля с помощью гидроподушек и специальных давильных установок.

Отметим, как вывод из этих опытов, что в момент толчка происходит обычно неполное разрушение всего нагруженного объема угля, а появляются отдельные поверхности разрыва или сдвига. Поэтому становится возможным повторное и даже многократное проявление толчков в нагруженном участке пласта. Разрушение происходит более бурно и полно в условиях, когда нагружается элемент угольного пласта, имеющий не одну обнаженную поверхность, а, скажем, три. В этом случае уже происходит не толчок, а скорее микроудар с разрушением всего нагруженного угля и даже выбросом его. Разрушение наступает при нагрузках, которые в 3—4 раза меньше, чем в участках с одной обнаженной плоскостью.

По результатам натурных испытаний разработана классификация пластов угля по их склонности к динамическим явлениям различного типа в зависимости от механических свойств пластов и от условий их нагружения.

Характер деформирования целика в процессе «подготовки» горного удара получен инструментальными наблюдениями в целике угля у ската № 127 после остановки лавы № 281. Ширина целика — 11 м, мощность пласта — 1—1,4 м, глубина работ — 600 м. Сразу после остановки очистного забоя были начаты наблюдения за выдавливанием угля из целика как в сторону выработанного пространства лавы, так и в сторону ската № 127. При бурении шпуров для закладки реперов (глубиной до 4 м) имели место частые толчки и зажатия буровых штанг.

На рис. 36 показано положение реперов в шпурах, а также результаты наблюдений за их перемещением.

Целик угля деформируется отдельными этапами. На графике видно распределение скоростей выдавливания угля из целика на одном из таких этапов (он включал в себя микроудар), а также предполагаемое распределение скоростей сближения кровли и почвы. В целике угля последовательно деформируются края, середина и опять края, причем распределение скоростей деформирования изменяется толчкообразно и сопровождается выдавливанием угля в выработки. Так, 12 августа 1952 г. при раздавливании краев целика- со стороны лавы 281 от него было отжато до 7 т угля на участке около 15 м, т. е. в данном случае имел место горный удар малой силы. Характер деформирования говорит о пластическом течении целика внутри его (в плоскости пласта, в 2—4 м от края целика, отмечены перемещения, достигающие 4 см) и хрупком разрушении краев целика при больших скоростях деформирования.



Описывая поведение угля в зоне его предельно напряженного состояния, мы не касались макроструктуры пласта, как фактора, оказывающего существенное влияние на условия формирования и проявления горного удара.

Пласты угля в большинстве своем имеют сложное строение. Отдельные пачки обладают разными характеристиками прочности, упругости, способности «уходить» из-под нагрузки. Кроме того, пласты угля часто разбиты многочисленными поверхностями ослабления (слоистость, кливаж, трещины давления). Таким образом, пласт угля представляет собой обычно систему, состоящую из отдельных элементов, имеющих ослабленную связь друг с другом. Естественно, это обстоятельство накладывает существенный отпечаток на характер и величины деформирования пласта в краевых частях, примыкающих к горным выработкам и находящихся, следовательно, под воздействием повышенного опорного давления.

В табл. 4 приведены результаты наблюдений за деформацией отдельных слоев пласта № 13 шахты № 2-Капитальная, опасного по горным ударам.

Из приведенной таблицы видно, что меньшее сжатие получил верхний слой, представленный крепким матовым углем. Наиболее сильно деформированные слои представлены полуматовым углем средней крепости и слабым, сильно дислоцированным.

На фоне общего выдавливания пласта в сторону выработки его отдельные слои выдавливаются по-разному (табл. 5).

Следует обратить внимание на то, что разница в величинах выдавливания отдельных слоев уменьшается с удалением в глубь массива. Так, на глубине 0,5 м взаимное перемещение слоев достигает 15—26%, на глубине 1,0 м — 11%, а на глубине 1,5 м и 2,0 м относительное перемещение слоев составляет лишь 0,5—1,5%.

В табл. 6 приведены результаты наблюдений в течение 39 дней за сжатием отдельных пачек пласта № 11 и их выдавливанием в сторону выработки на III горизонте шахты «Нагорная».

Мы видим, что на фоне общего выдавливания пласта имеет место относительное перемещение отдельных пачек, которые к тому же по-разному деформируются и по мощности.

Вместе с тем следует учитывать, что с удалением от кромки пласта самостоятельность деформирования под нагрузкой отдельных пачек угля снижается. Пласт начинает все более деформироваться как одно целое. Это и понятно, если учесть, что с удалением в глубь массива резко возрастает нагрузка на пласт и, следовательно, снижается разница в условиях работы слоев, имеющих разную прочность.

Точно так же влияние трещиноватости и слоистости в пласте угля сказывается на его деформационных и прочностных свойствах, главным образом, только в частях, непосредственно примыкающих к горным выработкам. Тем не менее влияние макроструктуры пласта значительно.

Натурные испытания краевых частей пласта угля, ослабленных трещиноватостью, различным образом ориентированной по отношению к приложенной нагрузке, провели на шахтах Кузбасса Я.А. Бич и П.В. Егоров. Они установили, что направление трещиноватости может играть существенную роль в формировании и проявлении горных ударов, происходящих в краевой части пласта.

Можно предположить также, что макроструктура пласта будет оказывать некоторое влияние на его деформационную способность и вдали от кромки массива. Дело в том, что, поскольку сцепление и угол внутреннего трения по наслоению и трещиноватости ослаблены, то переход пласта в псевдопластическое состояние произойдет сначала по границам слагающих его элементов. Пласт в целом деформируется за счет «оплывания» этих элементов.

Таким образом, пласты, нарушенные трещиноватостью, имеют более низкий предел упругости, чем монолитные пласты, представленные тем же углем. Это обстоятельство является принципиальным с точки зрения расшифровки условий формирования горных ударов.

При раскопках и обследовании мест горных ударов, происшедших на пласте № 11 шахт им. Урицкого и им. Калинина, нами было обнаружено, что разрушение пласта угля происходит по поверхностям уже имеющейся природной трещиноватости. Разрушенная часть пласта, а также часть его, находящаяся на грани области разрушения, легко разбираются на чечевицевидные отдельности с хорошо выдержанной ориентировкой в пространстве.

Обнаруженный эффект был проверен в 1952 г. инженером-теологом В,Н. Николаевым. Его сравнительные наблюдения подтвердили, что в месте проявления горного удара в пласте угля не образуются новые трещины. Появление некоторых дополнительных трещин, отмеченное при наблюдениях, объясняется тем, что под сильным воздействием горного удара раскрываются и становятся доступными для наблюдения эндогенные трещины, секущие пласт перпендикулярно напластованию. В обычных условиях их обнаружить довольно трудно.

Эффект разрушения пласта при горном ударе по уже имеющимся в нем природным трещинам был подтвержден позднее в опытах с вызовом микроударов с помощью гидроподушек.

Таким образом, пласт угля в зонах опорного давления, находясь в условиях трехосного неравномерного сжатия, под воздействием касательных напряжений деформируется прежде всего по имеющимся в нем поверхностям природной трещиноватости. Поскольку при этом подвижки происходят по неровным поверхностям, наблюдается эффект увеличения объема пласта в его краевой части. Это, в свою очередь, способствует выдавливанию пласта угля в выработку.

Эффект увеличения объема у образцов плотных пород при испытании их в условиях трехосного неравномерного сжатия получил на ряде материалов (талькохлорит, мрамор, углистая порода, диабаз) А.Н. Ставрогин. Он показал, что, по мере перехода от одноосного сжатия в область всестороннего сжатия, величина касательных напряжений возрастала; возрастал и эффект остаточного увеличения удельного объема. Затем, при достижении некоторого максимума, эффект увеличения объема уменьшается. Материал образцов после опытов имеет меньшую плотность, что, по мнению А.Н. Ставрогина, объясняется раскрытием микротрещин и пустот.

Нам представляется, что механизм эффекта возрастания удельного объема и в этом случае заключается в проявлении подвижек в образце породы по неровным поверхностям, как это говорилось выше по отношению к деформированию угольного пласта в целом по поверхностям природной трещиноватости. Такое объяснение позволяет в более общем виде рассмотреть вопрос об увеличении удельного объема породы пли угля в условиях трехосного неравномерного сжатия.

В краевой части пласта, с появлением касательных напряжений, первые подвижки начнутся по поверхностям видимой природной трещиноватости. Затем, по мере роста касательных напряжений, в подвижках будет участвовать все более и более густая сеть природных трещин, в том числе и те из них, которые в обычных условиях не поддаются обнаружению. He исключена возможность возникновения микроподвижек по поверхностям вновь образовавшихся трещин, ориентировка которых определяется соотношением главных напряжений, действующих в пласте угля.

Во всех этих случаях деформирование происходит по неровным поверхностям, и, следовательно, возможно разуплотнение массива пласта угля и увеличение его удельного объема. В пласте угля создаются условия для крайне неравномерного распределения напряжений (рис. 37). При этом, если в условиях псевдопластического состояния, наблюдающегося перед началом разрушения пласта в виде горного удара, возможно «оплывание» элементов угольного пласта в местах повышенной концентрации напряжений и, следовательно, выравнивание напряжений, то в момент разрушения пласт угля работает как упругое тело. Поэтому эффект увеличения объема за счет подвижек по неровным поверхностям в полную меру способствует выдавливанию краевой части пласта.

Если рассматривать эффект увеличения объема в таком виде, то можно предположить, что он возможен не только в плотных породах и углях с пористостью до 1%, но и в породах и углях пористых. Уменьшение удельного объема материала под воздействием трехосного неравномерного сжатия, происходящее за счет сокращения пор, может с избытком компенсироваться возрастанием объема в результате подвижек по неровным поверхностям природной трещиноватости или по поверхностям новых трещин, вызываемых действием касательных напряжений.

Следует отметить, что при крупных горных ударах создаются наиболее благоприятные условия для разрушения пласта угля преимущественно по поверхностям природной трещиноватости, при мелких ударах участие природной трещиноватости в разрушении угля сокращается. Можно предположить, что степень участия природной трещиноватости находится в обратной зависимости от отношения наименьшего размера отдельностей, образованных трещиноватостью, к размеру очага разрушения.