Разрушение горных породи и охрана выработок

В основе своей горное производство сводится к разрушению горных пород или сохранению их прочности (устойчивости или несущей способности) в целях охраны горных выработок, в которых периодически или непрерывно находятся люди.

При разработке и расчете процессов разрушения преимущественно прибегают к оценке разрушаемой среды интегральными — технологическими показателями, близко отражающими как свойства, так и состояние углей и пород в массиве в любом данном месте (сопротивляемость резанию, буримость, взрываемость, дробимость и т.п.).

В строгом аналитическом расчете процессов разрушения пород в массиве пришлось бы учесть не только их прочность и пластичность в условиях сложного напряженного и деформированного состояний, но и ряд таких существенных факторов, как газо- и влагонасыщенность, частость и скорость нагружения (от реологической до взрывной), температура разрушаемой среды, энергоемкость процесса в функции степени разрушения, абразивность, изменчивость этих показателей по простиранию и падению залежи и ряд других, трудно учитываемых факторов.

При резании, бурении, взрывании, дроблении и других процессах разрушения происходит значительное изменение естественного напряженного состояния пород в результате воздействия на них инструментами машин или взрывчатыми веществами, высоконапорными струями воды, электромагнитными полями. Учесть все факторы, характеризующие свойства и состояние среды до и после воздействия, в подавляющем большинстве случаев не представляется возможным, и поэтому следует считать оправданными стандартизацию или нормализацию интегральных показателей среды, вводимых в расчеты процессов разрушения.

Иное положение имеет место при охране горных выработок. В подавляющем большинстве случаев наблюдается количественное изменение свойств и состояния пород массива в зоне ведения горных работ или ближней зоне обнажения долгостоящих основных и вспомогательных выработок. Качественное изменение этих особенностей среды наблюдается редко и, кроме того, принципиальным требованием охраны горных выработок от разрушения является недопущение возникновения предельного состояния пород и углей в массиве. Это достигается выбором способов охраны очистных и подготовительных выработок, характеристик крепей, созданием искусственных целиков, закладкой выработанного пространства, анкерованием или укреплением пород всевозможными связующими и некоторыми иными способами, разгрузки массива от напряженного или деформированного состояния или упрочнением пород и углей в целях их лучшей сопротивляемости давлению вышележащих пород, газовому давлению и имеющему место в некоторых случаях дополнительному напряжению под влиянием тектонических нарушений.

В таких случаях оказываются целесообразными экспериментально-аналитические способы расчета параметров охраны горных выработок с использованием лабораторных методов, моделирующих натурные условия поведения пород в тех или иных условиях, а также натурные измерения.

Любые способы расчета охраны горных выработок всегда связаны с необходимостью знать свойства горных пород при тех или иных видах и режимах нагружения. Такие расчеты обычно сводятся к расчету предельного состояния и установлению необходимого запаса, гарантирующего безопасность ведения горных работ в тех или иных условиях.

Под предельным состоянием для крепких и хрупких горных пород обычно понимается предел прочности, для пластичных — предел текучести, а для подверженных длительным нагрузкам — длительная прочность отрыва или сдвига.

В расчетах технологии горного производства важно знать при каком виде предельного состояния произойдет разрушение, так как горные породы всегда анизотропны, а характер их разрушения может быть как следствием отрыва, так и сдвига.

По Г.В. Ужику свойства материала при любом виде напряженного состояния характеризуются безразмерным отношением временного сопротивления сдвигу Rт к сопротивлению отрыву Rо, а состояние материала характеризуется также безразмерным отношением максимального напряжения сдвига тmax к максимальному напряжению отрыва о1.

Если при данном виде напряженного состояния безразмерная характеристика свойств больше характеристики состояния материала, Rт/Rо > тmax/о1, отрыв неизбежен.

Когда Rт/R0 < тmax/о1, произойдет сдвиг.

Итак, при охране горных выработок предельное состояние массива является тем крайним состоянием, после которого наступает разрушение породили углей под влиянием веса вышележащих пород, газового давления и тектонических напряжений, но без приложения извне дополнительных увеличивающих напряжение нагрузок. Разрушение при этом может протекать по разному: в виде образования отдельных трещин, магистральных трещин отжима, высыпания угля из зоны разрушения, "стреляния" с поверхности забоя, горного удара или внезапного выброса значительного количества угля или породы и газа.

Все эти явления происходят в считанные секунды с реализацией накопленной в массиве потенциальной энергии и носят явно динамический характер.