О механизме горного удара

21.05.2018
На основе экспериментальных и теоретических исследований доказано, что, начиная с некоторой глубины разработки, в краевой части удароопасного пласта устанавливается предельно напряженное состояние с упруго-пластическим деформированием угля.

Результаты лабораторных и шахтных исследований подтверждают это положение. Оно, по нашему мнению, имеет первостепенное значение для правильного толкования механизма проявления горных ударов и других динамических явлений.

Общая схема, иллюстрирующая наши представления о состоянии угля в краевой части пласта, дана на рис. 38. Однако заметим, что границы между зонами В, А и С могут быть проведены лишь условно, так как переход между зонами не резкий, а плавный, и положение границ между зонами постоянно меняется.

Предельная скорость пластического деформирования пласта угля возрастает с удалением в глубь массива. На краю пласта, непосредственно за зоной нарушенного угля, эта скорость имеет минимальное значение, и поэтому пластическое деформирование здесь возможно лишь в условиях действия постоянных или медленно меняющихся нагрузок. В случаях, когда скорость приложения нагрузок такова, что вызванные ими скорости деформации выше, чем скорость пластического деформирования, угольный пласт деформируется как упругое тело, и возможно его хрупкое разрушение. Горный удар, таким образом, может произойти в том случае, если скорость деформации, вызванная нарастанием удельного давления, превысит максимально возможную скорость пластического деформирования данной части пласта угля, находящейся в предельно напряженном состоянии. Аналогичный взгляд на природу горного удара высказан и позднее.

Имея в виду, что хрупкое разрушение угля может быть вызвано не только возрастанием нагрузки, но и быстрым снятием бокового отпора, т. е., в конечном счете, разгрузкой какого-то элемента пласта, приведенную формулировку следует изложить в несколько более общем виде.

Горний удар есть хрупкое разрушение угля в зоне предельно напряженного состояния краевой части пласта или целика, происходящее вследствие превышения скорости изменения напряженного состояния (Vн) над максимально возможной скоростью перехода пласта в предельное состояние за счет пластического деформирования в данном месте (Vпл.пред).

B связи с этим следует ввести понятие о показателе хрупкости N, который отражал бы характер поведения угольного пласта в условиях сложного напряженного состояния

При N<1 хрупкое разрушение пласта исключается.

Хрупкое разрушение, а следовательно, и проявление горного удара возможно лишь при N>1.

Толчкообразное изменение напряженного состояния в краевой части пласта угля


Рассмотрим причины и характер изменения напряженного состояния в краевой части пласта угля.

Прежде всего остановимся на толчкообразном деформировании краевой части угольного пласта под нагрузкой, установленном нашими исследованиями. Этот эффект является общим как для пластов, опасных по горным ударам, так и для ряда неопасных пластов. Однако интенсивность и характер его проявления в большой мере зависят от степени удароопасности пласта, т. е,, в конечном счете, от механических свойств пласта н условий его взаимодействия с боковыми породами, с одной стороны, и, с другой стороны, — от глубины разработки, как фактора, влияющего на напряженность угля и пород.

Такое неравномерное деформирование представляет собой последовательные нарушения и восстановления равновесия между внутренним высоким давлением ядра, находящегося в пластическом (или псевдопластическом) состоянии (рис. 38), и сопротивлением этому давлению периферийной части целика или края массива угля за счет трения по контактам и защемления пласта боковыми породами. Когда внутреннее давление превышает сопротивление периферийной части, происходит ее подвижка в сторону выработанного пространства до тех пор, пока не установится равновесие. Вследствие того, что сила трения при скольжении меньше силы трения покоя, подвижка происходит несколько дальше, чем необходимо для статического равновесия. Поэтому возможна вторая стадия деформирования, с более интенсивной подвижкой боковых пород над пластическим ядром и нарастанием давления в нем при почти полном отсутствии подвижек угля и пород в периферийной части. Давление в ядре нарастает до тех пор, пока сила бокового давления снова не превысит реакции краевой части целика или массива пласта.

На фоне общего деформирования краевой части пласта и ее толчкообразного выдавливания в сторону выработки происходит, как уже говорилось, подвижки отдельных слоев пласта угля друг относительно друга, а также подвижки по поверхностям природной трещиноватости, имеющейся в пласте. Причем вследствие неравенства сил трения покоя и сил трения движения эти подвижки носят крайне неравномерный характер с последовательным нарушением и восстановлением равновесия в отдельных частях края пласта и прежде всего в области В, где преобладают упругие деформации. Существенное влияние на проявление толчкообразного деформирования краевой части пласта угля может оказать эффект динамического приложения нагрузки на пласт, вызываемый проскальзыванием слоев боковых пород но контактам при их изгибе в районе очистного забоя. Проскальзывание будет тем скачкообразнее, чем больше величина коэффициента трения пород. При проскальзывании слоев пород относительно друг друга основное воздействие на пласт угля будет оказывать не столько пригрузка, сколько мгновенная подвижка нижнего слоя кровли. Она может вызвать разрушение угля на контакте и резкое выталкивание краевой части с последующим разрушением угля в глубине массива.

Возникновение аналогичного эффекта воздействия боковых пород на угольный пласт возможно также при образовании новых разрывов пород по напластованию, происходящих в результате действия тангенциальных сил при изгибе слоев кровли, а иногда и почвы. В этом случае толчкообразность может быть еще более резкой, так как будет преодолеваться не только трение, но и сцепление пород, т. е. на описанный выше эффект будет накладываться эффект «срыва спайки». Ho «срыв спайки» возможен лишь в момент разрыва слоя породы на более топкие слои, а в последующем по поверхности разрыва будут действовать лишь силы трения.

Таким образом, изложенное нами толкование, в отличие от упомянутой работы, объясняет возможность многократного появления толчков со стороны боковых пород без обязательного появления в них новых поверхностей разрыва, что, по-видимому, чаще всего и имеет место в действительности.

Толчкообразное деформирование краевой части пласта вызывается также воздействием на него мгновенных подвижек части боковых пород (главным образом кровли), происходящих в результате образования трещин среза при изгибе песчаников на уровне кромки пласта. Мгновенный удар по краю пласта приведет к его хрупкому разрушению. Образование таких заколов происходит чаще всего впереди бара комбайна или врубовой машины. Расстояние по простиранию между заколами при этом равно ширине захвата машины. Наиболее характерный пример такого поведения кровли в лавах, опасных по горным ударам, дала практика отработки пласта № 11 па шахте нм. Калинина в 1951—1955 гг.

Воздействие послойных проскальзываний и разрывов пород, а также их разрушение путем образования срезов и смятия в областях сжатия сказывается весьма многообразно. Оно ощутимо не только в слоях пород, непосредственно контактирующих с угольным пластом, но и в более удаленных слоях. Возможны смятия в зонах сжатия и мгновенный прогиб больших толщ пород с послойным проскальзыванием и разрывами. Упругая волна от них может воздействовать на краевую часть пласта или целик угля и тем самым облегчить толчкообразное проскальзывание пласта относительно боковых пород.

Существенное влияние на степень воздействия перечисленных выше факторов оказывает поведение боковых пород. При прочих равных условиях, чем больше защемление пласта породами кровли и почвы, тем сильнее толчкообразность деформирования угля. Защемление пласта, в свою очередь, зависит от величины зависания пород позади забоя и от скорости подвигания очистного забоя.

Вот почему регулярное обрушение кровли в лаве, увеличение скорости подвигания забоя, применение крепи с большим постоянным сопротивлением способствуют уменьшению силы проявления горных ударов в момент ведения работы по углю. Вместе с тем при выемке угля машинами с широким захватом и особенно при отбойке угля взрывным способом защемление пласта в ряде случаев играет положительную роль. Оно способствует проявлению горных ударов лишь в определенное время — в момент зарубки и отбойки угля. Учитывая это обстоятельство, можно повысить безопасность ведения работ.

Перечисленные выше причины толчкообразного деформирования краевой части угля время от времени могут проявляться самопроизвольно. В период же ведения работ по углю действие их многократно усиливается.

Угольный уступ в лаве, образованный в ходе выемки угля, является дополнительным концентратором напряжений. В то же время внедрение бара машины или взрыв шпуров резко меняют напряженное состояние в прилегающей области пласта угля, где возможно изменение отношения наибольшего и наименьшего главного напряжений почти от единицы и до бесконечности. Это обстоятельство облегчает разрушение пласта угля в форме горного удара.

Таким образом, толчкообразное выравнивание и перераспределение напряжений является законом деформирования пласта угля, находящегося в предельно напряженном состоянии. Это в значительной степени объясняет механизм подготовки и проявления горных ударов.

О механизме разрушения угля в очаге горного удара


Горный удар происходит в результате нарушения равновесия всей системы «боковые породы — уголь», поэтому целесообразно рассмотреть характер и особенности поведения отдельных элементов этой системы и их взаимодействие в подготовке и проявлении удара.

В результате очередного преодоления сил трения и защемления происходит толчкообразное выдавливание области В (рис. 38). На основе закона о соотношении сил трения покоя и движения область В выталкивается несколько дальше, чем это необходимо для установления статического равновесия. Выталкивание приведет к резкому и мгновенному снижению бокового отпора в части или во всей области А, вследствие чего мгновенно возрастает величина N. Поэтому в части или во всей области А создаются условия для хрупкого разрушения угля с переходом потенциальной энергии упругого сжатия, запасенной пластом и боковыми породами, в кинетическую энергию, способствующую дальнейшему выталкиванию области В. Этому будут способствовать также силы, возникающие в пласте в результате увеличения его объема при деформировании в условиях сложного напряженного состояния.

В том случае, когда выталкивающих сил окажется достаточно, область В будет двигаться непрерывно в условиях действия пониженного коэффициента трения движения, и лавинообразный процесс разрушения в области А перерастет в горный удар, Если же после толчкобразного выдавливания области В в упругое состояние перейдет и претерпит хрупкое разрушение лишь незначительная часть области А, процесс может на том и закончиться. В таком случае мы будем иметь дело с толчком, т. е. с горным ударом внутреннего действия без выброса угля.

В процессе удара своеобразно проявляется энергия упругого сжатия, запасенная боковыми породами.

В момент разрушения пласта угля в области А произойдет мгновенное расширение ранее сжатых боковых пород в некотором объеме, прилегающем к очагу разрушения (рис. 39). Расширение пород проявляется как колебание по быстро убывающему закону и вызывает измельчение угля на контактах до пылеобразного состояния, Последнее приводит к резкому снижению трения на контактах (до нуля на контакте пласта угля и кровли) и, следовательно, облегчает дальнейшее выдавливание и разрушение краевой части пласта угля.

Отметим еще одну особенность влияния колебания боковых пород на интенсификацию разрушения и выброса пласта. При мгновенном ударе боковых пород разрушающийся пласт угля в силу инерции сдавливается больше, чем фактически сближаются боковые породы. Поэтому после горного удара между углем и кровлей наблюдается щель высотой от нескольких сантиметров до 0,2—0,5 м и глубиной в несколько метров. При разрушении отдельных целиков угля щель образуется по всей площади целика, и создается впечатление, что целик мгновенно растекся в результате мощного удара со стороны кровли (например, горные удары 7 июня 1951 г. и 11 сентября 1960 г. на шахте им. Урицкого).

Такой характер поведения боковых пород в процессе проявления горного удара впервые описан в 1954 г. и подтвержден позднее инструментальными наблюдениями в натурных условиях и на моделях.

Факт возникновения волн разгрузки в боковых породах установлен микросейсмическими наблюдениями на станции «Углеуральск» по характеру первых вступлений вертикальной компоненты на сейсмограммах горных ударов (рис. 40, а). Первое вступление компоненты Z, как правило, соответствует волне разряжения (разгрузки). При микросейсмических наблюдениях за сотрясениями, вызываемыми горными ударами на шахтах Кладпо (Чехия), так же установлено, что па всех записях сотрясений вступление по вертикальной компоненте отвечает разряжению.

Этот факт подтверждается нашими опытами по динамическому моделированию. Фильм, снятый при разрушении целика в модели, показывает, что разгрузка пород в районе целика проявляется как колебание. На рис. 40, б, показывающем один из результатов наблюдении за деформацией пород модели, отчетливо виден колебательный характер процесса разгрузки пород.

Доказательством того, что волны разгрузки, возникающие в боковых породах, принимают непосредственное участие в разрушении угля в месте удара, является тот факт, что период продольных и поперечных сейсмических волн при горных ударах значительно меньше длительности процесса разрушения в очаге удара.

Периоды продольных и поперечных сейсмических волн при горных ударах, определенные наземными наблюдениями па шахте им. Урицкого, составляют около 0,15 сек. Можно предполагать что в очаге эти волны имеют еще меньшие периоды. В то же время длительность разрушения в очаге при ударах средней силы (при. Е = 10в4 дж) составляет около 1 сек, а при крупных ударах — 2— 3 сек. Из этого следует, что колебания боковых пород непосредственно участвуют в дополнительном разрушении угольного пласта в очаге горного удара.

Особенно велико влияние этого фактора в проявлении крупных горных ударов в отдельных изолированных целиках (рис. 39, а). Причем, поскольку максимум нагрузок в них приходится на середину, то там же в максимальной степени проявляется упругое восстановление пород. Последнее приводит, что называется, к «разбрызгиванию» целика угля (например, горный удар 12 мая 1963 г. на шахте им. Калинина, рис. 8), общее сближение пород в месте удара достигает 0,2—0,5 м без обрушения кровли.

Несколько слов о поведении угля в области В (рис. 38) в момент удара.

Выше была показана роль области В как источника реактивных сил, сдерживающих напор со стороны сильно напряженного пластического ядра. Особенно четко это можно видеть при некоторых, главным образом крупных горных ударах, когда периферийная часть пласта выдвигается в выработку без заметного разрушения, в то время как часть пласта в глубине разрушается полностью. Горный удар такого характера был отмечен 4 апреля 1964 г. в лаве № 273 на шахте «Центральная» в Кизеловском бассейне (рис. 15).

Классическим примером из зарубежной практики является случай внезапного выброса угля и газа 9 июля 1930 г. на шахте Венцеслав (бассейн Фюво во Франции), причиной которого, по мнению Жарлье, был удар со стороны кровли. Эта катастрофа (погиб 151 человек) произошла в лаве длиной 190 м, в 25—55 м от основного штрека. Пласт имел мощность 1,5—2,5 м, кровля была представлена крепким песчаником. Удар, вызвавший разрушение угля, произошел в месте тектонического нарушения с падением от забоя под углом 30—50°, вдоль которого была проведена выработка, оконтуривающая часть массива угля. При ударе блок угля длиной 20 м и шириной 5—6 м выдвинулся в сторону выработанного пространства, в то время как часть пласта в глубине была полностью разрушена,

Жарлье, а вслед за ним и многие другие исследователи, выделяли, как уже говорилось, большую группу горных ударов, происходящих в результате удара кровли при ее резких сдвижениях. Это утверждение следует поставить под сомнение, и вот почему.

Во-первых, в проявлении горного удара принимают участие не только породы кровли, но и породы почвы. Во-вторых, их действие оказывается не как результат простого перемещения отдельных слоев кровли, а как следствие мгновенного сближения пород кровли и почвы за счет их расширения при разгрузке с возникновением колебательного процесса. Эти выводы объясняют как исключительно высокую разрушительную силу горных ударов, так и возникновение землетрясений, отмечаемых сейсмическими станциями на расстояниях до десятков и сотен километров от очага удара.

Изложенные представления делают более понятным катастрофическое разрушение целика на шахте Венцеслав. Выдвижение слабо напряженного блока угля произошло вследствие высоких напряжений в пласте угля, высокого давления газа и мгновенного сближения боковых пород при разгрузке их от напряжений с возникновением колебаний. В связи с тектоническим нарушением расширение пород при разгрузке, проявляющееся как удар, произошло на значительно большую величину, особенно в глубине массива (рис. 41).

Отмеченное выше выдавливание краевой части пласта без заметного разрушения встречается сравнительно редко. В большинстве случаев область В (рис. 38) разрушается. Правда, замечено, что уголь в ней разрушается на более крупные куски, нежели в глубинной части пласта.

Разрушение области В происходит в результате мгновенного выталкивания ее и удара по ней со стороны сближающихся боковых пород. В момент выталкивания происходит частичная разгрузка пласта в области А, следовательно, область В как бы подставляется под большие нагрузки, что также способствует ее разрушению. Наконец, в тех случаях, когда горный удар развивается вследствие частичного или полного разрушения области В взрывными работами или машинной зарубкой, хрупкое разрушение часто начинается непосредственно с края пласта или с участка, которого достигли взрыв или бар машины.

Описанный механизм проявления горного удара будет понятен, если отдельные его элементы н процессы рассматривать, как следующие один за другим через очень малые промежутки времени или развивающиеся параллельно. При этом лавинность развития горного удара вызывается и обеспечивается таким взаимодействием процессов в угле и породах, при котором один процесс создает условия для ускорения или усиления другого. Этому способствуют н меняющиеся в процессе проявления горного удара отдельные параметры, определяющие механическое состояние пласта угля. Так, например, известно, что коэффициенты трения уменьшаются не только при переходе от покоя к движению, но и с увеличением нагрузки, скорости движения при больших нагрузках и со снижением ее при малых нагрузках, а также при увеличении температуры. Кроме того, в процессе развития горного удара существенно изменяются условия защемления пласта за счет сильного сближения пород при разгрузке.

О балансе энергии горного удара


Остановимся кратко на балансе энергии горного удара. Этот вопрос рассматривался многими исследователями. Отличие нашей постановки вопроса о балансе энергии горного удара, как уже было сказано, состоит в том, что мы рассматриваем горный удар как изменение напряженно-деформированного состояния всей системы «боковые породы — уголь».

Энергия, участвующая в проявлении горного удара, складывается из энергии упругих деформаций, накопленной угольным пластом, и энергии, накопленной боковыми породами (рис. 39).

Таким образом, запас полной потенциальной энергии, участвующей в горном ударе, равен:

П = Пу + Пп,


где Пу — потенциальная энергия, запасенная пластом угля;

Пп — потенциальная энергия, запасенная массивом горных пород.

Потенциальная энергия в пласте угля ориентировочно может быть подсчитана по формуле
О механизме горного удара

где оср — среднее напряжение, действующее в пласте угля;

Vу — объем угля, подвергшийся разрушению при ударе.

Запас потенциальной энергии упругого сжатия в горных породах, участвующий в проявлении горного удара, можно подсчитать исходя из того, что при ударе происходит сближение боковых пород на величину l0 за счет их упругого расширения и, следовательно, совершается работа, равная:

где S — площадь разрушенного целика.

Коэффициент 1/3 здесь берется потому, что в процессе сближения пород на величину l0 сила изменяется от оср*S до 0. Величина l0 может быть подсчитана по формуле.

где а — ширина выработки; в данном случае — ширина области разгрузки пород при ударе;

e0 — максимальное относительное расширение пород при разгрузке.

Следовательно, упругая потенциальная энергия, накопленная в массиве пород, окружающем целик угля, равна:

Отсюда общий запас потенциальной энергии при горном ударе определяется из выражения:

где m — мощность пласта угля.

Выполним расчет величины потенциальной энергии, проявившейся при горном ударе 12 мая 1963 г. на шахте им. Калинина (рис. 8).

Нагрузки на целик угля до его полного разрушения в результате удара могут быть подсчитаны исходя из того, что весь целик находился в предельно напряженном состоянии.

Если по краям целика нагрузки составили 1000 т/м2. то, пользуясь выражением (5), устанавливаем, что в середине целика нагрузки равнялись 6700 т/м2, а средняя нагрузка на целик — 3850 т/м2.

Исходя из тех же положений, но пользуясь способом расчета, изложенным в работе, получим, что средняя нагрузка на целик равна 5450 т/м2.

Для последующего примем среднее значение, установленное из двух независимых способов расчета:

оср = 4650 т/м2.


Пользуясь выражением (16) и имея в виду, что m=2 м, S=1440 м2, Eу=5*10d5 т/м2, а = 200 м, е0=0,003, получим, что полная потенциальная энергия рассматриваемого удара равна:

П = 8,4*10в55 тм.


Количество потенциальной энергии, сосредоточенной в целике угля, подсчитанное по формуле (12), равно:

Пу = 6,2*10в4 тм.


Выполненный расчет показывает, что величина потенциальной энергии в угле в данном случае составляет лишь 7,3% от полной потенциальной энергии горного удара.

При неизвестном значении е0 оно может быть определено из выражения:

е0 = оср/Еп,


где Eп — модуль упругости пород, т/м2.

Формула (16) в этом случае выглядит так:

Анализ формулы (17) показывает, что доля потенциальной энергии упругого сжатия пород в балансе энергии горного удара изменяется от нескольких процентов при стрелянии, толчках, микроударах, а также при горных ударах в выработках мощных пластов, относящихся к V группе классификации, до 30—50% — при горных ударах четвертой, третьей, а иногда и второй групп, до 80% и более — при горных ударах первой группы, а в случае одновременного и полного разрушения целиков с обеих сторон выработки — и при ударах второй группы.

Описанное далее своеобразие проявления горных ударов разных групп приведенной классификации может быть в значительной степени объяснено их энергетическими особенностями. Вот почему представляет интерес баланс энергии горного удара и особенности расходования потенциальной энергии при ударе.

Энергетический баланс горного удара приводится на схеме 3.

Потенциальная энергия упругих деформаций расходуется на многие физические и механические процессы, предшествующие и сопутствующие горному удару. Энергия идет на разрушение связей, на работу при пластических деформациях, на выброс разрушенного материала, на колебательные движения горных пород, на рассеяние в виде тепла, электричества и прочее.

Однако надо иметь в виду, что характер проявления энергии,, запасенной горными породами и угольным пластом, существенно различен в процессе протекания горного удара.

Часть энергии упругих деформаций, запасенной угольным пластом, расходуется на хрупкое разрушение пласта. В массиве угля возникают при этом микро- и макротрещины, при образовании которых проявляются микросейсмические волны.

Вместе с тем следует отметить, что выход в массив горных пород сейсмической радиации, возникающей при разрушении угля, затруднен, во-первых, потому, что при частоте волн 500—800 гц они быстро затухают и, во-вторых, потому, что контакты угля и пород не всегда являются акустически прозрачными. Значительная часть потенциальной энергии, запасенной пластом угля, превращается в кинетическую энергию и участвует в выбросе угля и разрушении крепи. Немалая часть энергии переходит в тепло.

Существенно отличается характер проявления упругой потенциальной энергии деформирования горных пород, окружающих угольный пласт. Эта энергия участвует в дополнительном разрушении пласта угля, но тогда, когда он уже частично или полностью вышел из-под нагрузки в результате хрупкого разрушения. Поэтому колебательное движение боковых пород воздействует на угольный пласт по принципу «молот — наковальня», разрушая и измельчая его на контакте, а также «разбрызгивая» в стороны. Значительная часть упругой энергии пород переходит в энергию -сейсмических волн.

Установлено, что при микроударах (сейсмическая энергия E < 10в2 дж) частотный спектр волн имеет максимум в диапазоне 500—800 гц, при ударах средней силы (10в2 дж < Е < 10в4 дж) он лежит в диапазоне 5—10 гц, а при сильных горных ударах (E > 10в4 дж) максимум частотного спектра лежит в диапазоне 1—3 гц. Длительность горных ударов перечисленных трупп колеблется от 0,01 до 3 сек.

Как уже отмечалось, боковые породы участвуют в проявлении горного удара, начиная с момента возникновения небольших микроразрушений, а затем при все возрастающих размерах очага. Расширение очага разрушения приводит к появлению все более длинных и низкочастотных волн в боковых породах. В целом же при горных ударах могут возникать волны, лежащие в широком диапазоне длин и периодов. Наблюдениями BНИМИ, проведенными ка сейсмической станции «Углеуральск», зарегистрированы периоды волн от долей микросекунд до 20 сек. Этим подтверждается возможность регистрации сейсмических колебаний на значительном удалении от очага горного удара.

Классификация горных ударов, происшедших на шахтах Кизеловского бассейна, по величине сейсмической энергии приведена в табл. 7.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: