Выявление условий возникновения динамических явлений

14.11.2019

Для расчета параметров охраны горных выработок должна быть разработана принципиальная схема расчета напряженного или деформированного состояния массива вблизи обнажения. Сравнение полученных результатов с предельными (по прочности или устойчивости) позволит решить вопрос о приемлемости принятых способов охраны или необходимости проведения дополнительных мероприятий. Легче всего это проследить на примере охраны горной выработки (очистной или подготовительной), пройденной по угольному пласту.

Независимо от того, присутствует газ или отсутствует, только предельное состояние может быть ответственным за начало разрушения, однако в присутствии газа начало процесса наступает при меньшем напряженном состоянии массива, вызванном горным давлением и тектоническими напряжениями.

Развитие внезапного выброса угля и газа отличается от горного удара тем, что в первом случае работа десорбированного газа и особенно газа, накопленного в коллекторах, приуроченных к геологическим нарушениям, значительно интенсифицирует развитие динамического явления и эвакуацию разрушенного угля из зоны выброса. Прекращение выброса можно объяснить увеличением прочности угля в зоне непосредственно примыкающей к очагу выброса, снижением горного давления или давления газа, изменением контактных условий выбросоопасной пачки угля, или совместным действием перечисленных факторов, которые в конечном итоге приводят к деформациям или напряжениям меньше критических.

Горные удары возникают только под влиянием горного давления и тектонических напряжений. Развитие процесса, как и в случае внезапных выбросов, возможно только при преодолении предельного состояния массива, но в отсутствии газа.

С позиции теории упругости переход к предельным состояниям (отрыву или разрушению от сдвига) обычно выражается посредством наибольших напряжений о1 и тmax.

Весьма вероятно, однако, что для хрупких материалов, у которых сопротивление отрыву существенно меньше сопротивления сдвигу, в большем соответствии с результатами опытов должны оказаться условия, выражающие переход к предельному состоянию посредством наибольших деформаций, а не напряжений. Эта особенность хрупкого разрушения углей и положена в основу построения скелетной схемы описания динамических явлений в шахте.

В целях упрощения приняты следующие допущения:

- месторождение пологого падения; уголь разрушается при отрыве хрупко, без проявления пластических деформаций;

- процесс развития динамического явления протекает настолько быстро, что реологические проявления исключаются;

- в глубине массива поперечные деформации "запрещены";

- у обнаженной поверхности, в очаге динамического явления, поперечная деформация "запрещена" в направлении, параллельном этой поверхности;

При всестороннем сжатии

где индексы 1, 2, 3 выражают оси главных напряжений, соответственно по нормали к пласту, параллельно обнажению и в сторону обнажения. При действии по оси 3 деформации растяжения
Выявление условий возникновения динамических явлений

Как принято в общей теории упругости, деформации сжатия записываются со знаком минус.

Давление газа во всех направлениях одинаково и должно учитываться с учетом коэффициента пористости и нарушенности пласта. При наличии магистральных трещин, возникших под влиянием тектонических разрушений или отжима, значение коэффициента пористости и нарушенности в направлении обнажения принимается близким к единице.

Как деформирован уголь в глубине массива сказать трудно. Некоторые ученые полагают, что поперечные деформации в пласте "запрещены" и поэтому поперечное напряжение в пласте должно рассчитываться по теории упругости. Другие с такой точкой зрения не согласны и считают, что в нетронутом разработкой массиве действует гидростатическое давление, т.е. о1 = о2 = о3.

Полагая, что истинное значение напряжений может оказаться промежуточным, не соответствующим этим крайним точкам зрения, рассмотрим оба возможных варианта для газовых и негазовых шахт.

Пласт угля или породы негазовый. Если, например, в глубине массива горное давление о1 (см. рис. 11.1) и поперечные напряжения о2 = о3, то в направлении линии ab должна возникнуть суммарная деформация элемента

С учетом принятых допущений

Таким образом, в отсутствии тектонических напряжений в глубине массива

Уравнение (11.2) при отсутствии тектонических напряжений выражает напряжение бокового распора (при пологом залегании), выраженное в долях от горного давления (уН = о1).

В отсутствии анизотропии продольной и поперечной упругости, когда E1 = E2 (что в слоистых и трещиноватых углях маловероятно)

Еще менее вероятно, что u13 = u23. Ho если было бы так, то

т.е. коэффициенту бокового распора по А.Н. Диннику.

В зоне возникновения горного удара, у обнаженной поверхности, o3 = 0, а деформация в направлении обнажения

Памятуя, что в направлении оси 2 деформации "запрещены", в рассматриваемом случае o1/E1 u12 = o2/E2. Тогда

Однако деформация еав может быть и меньше критической, тогда разрушение в результате отрыва не возникает. Обнажение пласта угля будет устойчивым. Горный удар, согласно принятой упрощенной схеме, может начаться только при условии возникновения деформации растяжения в сторону обнажения, превышающей критическую

Это и есть условие возникновения горного удара.

Пласт угля насыщен газом. В глубине массива в присутствии газа уравнение (11.1) примет вид

где р — давление свободного газа; m — относительная пористость угля, под которой понимается безразмерная величина, равная проекции суммы площадей пор и трещин на плоскость, в которой действует напряжение, отнесенная к единице площади в этой плоскости.

В условиях отжима, интенсивного трещинообразования, объединения кливажных и вновь образованных трещин в магистральные относительная пористость стремится к единице.

При рассмотрении опасности возникновения предельного состояния вблизи зоны свежеобнаженного забоя, где действуют деформации растяжения в сторону оси 3 (рис. 11.2), можно с минимальным запасом в сторону увеличения принять m = 1 и в дальнейшем не учитывать.

Памятуя, что в свежеобновленной зоне деформации в сторону обнажения не запрещены, получим

Имея в виду, что в направлении оси 2 деформации "запрещены", в рассматриваемом случае о1/Е1 u12 = o2/E2. После преобразовании с учетом принятых допущений, получим

Таким образом, условие возникновения внезапного динамического проявления — выброса угля и газа в зоне свежеобновленного забоя (где миграция газа еще не развилась), запишется в виде уравнения

Если допустить, что в зоне выброса угля и газа упругие свойства пласта E и u не изменяются, то прекращение выброса, как указывалось выше, возможно при условии повышения прочности угля, снижения напряжений в пласте в связи со снижением горного давления, давления газа, контактных условий выбросоопасной пачки или при соответствующем совместном изменении горных условий до такой степени, при которых екр становится большим еав.

Уравнение (11.8) можно рассматривать как обобщенное уравнение, описывающее возможность возникновения динамического явления в результате свежего обновления забоя в шахте. В отсутствии газа второй член уравнения обращается в нуль и мы приходим к уравнению (11.4) — условию возникновения горного удара.

Таким образом первый член уравнения (11.8) характеризует роль истинных деформаций, вызванных в пласте горным давлением (с учетом концентрации вблизи горной выработки), а второй член уравнения характеризует роль газового давления в возникновении критических деформаций, но без учета сил трения в контакте уголь — порода или между отдельными пачками угля.

Уравнение (11.8) нуждается в экспериментальной проверке. Основная задача экспериментаторов заключается в том, чтобы определить на разных расстояниях от обнажения: прочность R и критическую деформацию екр, напряжения о, упругие характеристики E и д по осям 1, 2 и 3 при сжатии и растяжении, а также газовое давление р. При этом напряжения и газовое давление надо определять как в глубине массива, так и в близких к обнажению зонах пласта. Современная измерительная аппаратура позволяет произвести нужные определения.

Рассмотрим теперь те же явления когда в глубине нетронутого разработкой массива действует гидростатическое давление (о1 = о2 = о3). Имея в виду, что уголь обладает анизотропией свойств, сохраним ранее принятые условия кроме неравенства напряженных состояний угля в глубине массива.

Анализ деформированного состояния угля в условиях равнокомпонентного напряженного состояния сжатия не представляет интереса, так как возникновение критических условий в таком случае практически невероятно.

В зоне свежеобновленного обнажения, когда миграция газа еще не развилась, условия возникновения динамического явления запишутся в виде

Анализ уравнений (11.8) и (11.9) показывает, что роль газового фактора осталась неизменной, так как вторые члены уравнений одинаковы. В уравнении (11.9) первый член, характеризующий влияние напряженного состояния на развитие динамического явления, больше, чем такой же член уравнения (11.8), а это значит, что в этих условиях возникновение динамического явления более вероятно.

Надо полагать, что в зоне концентрации напряжений, вызванных ведением горных работ как и вблизи обнажений, существенное изменение о1, не может вызвать равного ему изменения о2 и о3 и поэтому расчет по (11.9) для этих зон должен приводить к маловероятной повышенной опасности динамического явления.

Эксперименты покажут, какое из полученных уравнений ближе к истине, но независимо от этого можно сделать следующие выводы: в зоне старого обнажения при р = 0 возможен горный удар, если согласно уравнению (11.4) екр < еав;

- при быстром обнажении забоя, когда р Ф 0, возможен внезапный выброс угля и газа в соответствии с уравнением (11.8), где значения о1 и р соответствуют зоне свежего обнажения;

- применение в таких условиях струговой выемки в очистных забоях и комбайновой проходки роторными машинами может существенно снизить вероятность выброса, так как при малой ширине заходки и достаточном времени для миграции газа напряжения о1 и р, входящие в (11.8), существенно ниже таковых при комбайновой выемке в длинных забоях, а возможно и при применении стреловидных проходческих комбайнов;

- если екр в зоне ведения горных работ больше рассчитанного по уравнению (11.8), возникновение динамического явления невозможно.

Влияние сил трения (сцепления). В случае быстрого и полного обнажения пласта или отдельной пачки, роль сил трения, препятствующих деформациям прослойка у самого обнажения, близка к нулю и потому не учитывалась.

Иное положение складывается, например, при бурении скважин в сторону выбросоопасной пачки пласта. Хотя обнажение и является свежим, однако, смещению угля пачки в сторону обнажения (в скважину) препятствует значительное трение последней о соседние пачки угля, почву или кровлю пласта.

Упростим решение вопроса, приняв следующие допущения. Пусть в зоне старого обнажения, где р = 0, действует нормальное к пласту давление а0, а в зоне максимума опорного давления на расстоянии L от обнажения оmax (см. рис. 11.2).

В первом приближении на участке l < L принимаем прямолинейный закон нарастания о,. Тогда на расстоянии l от обнажения

Примем, что давление газа нарастает прямолинейно от нуля в зоне старого обнажения до pmax на расстоянии L, тогда

Удельные силы сцепления (трения), препятствующие смещению прослойка в сторону обнажения, под влиянием ol и pl можно уподобить o3 и потому

где bl — среднее нормальное давление на участке 0 — l; f — коэффициент сцепления (трения); h — мощность прослойка.

Таким образом, для участка l < L уравнение (11.8) запишется в виде

где R30 — прочность растяжения выбросоопасной пачки угля по оси 3; Е30 — модуль продольной деформации того же угля по оси 3 при растяжении (рассматривать следует только зону деформаций растяжения по оси 3).

Согласно принятому допущению

Три верхних графика (рис. 11.3) выражают влияние первого, второго и третьего членов уравнения (11.12) на значение результирующей относительной деформации пласта (например при бурении) в направлении обнажения (нижняя кривая). Имея в виду, что в глубине массива поперечная деформация "запрещена", отрицательное значение относительной деформации не анализируется.

Из результирующего графика следует, что:

- если екр < е0, неизбежен горный удар до начала бурения;

- если екр больше е0 и больше еmax, то работа выемочной, проходческой или буровой машины на участке 0—l1 к выбросу не приведет;

бурение на участке l1—l2 при коэффициенте сцепления (трении) 0,06—0,04 неизбежно приведет к выбросу;

- бурение на участке l больше l2 к выбросу не приведет;

- если екр больше еmax, выброс невозможен. Это в частности наблюдается при работе по крепким углям и при значительном сцеплении между пачками пласта.

Как показал анализ, бурение на выбросоопасный прослоек может привести к значительному обнажению пласта в каверне выброса и тогда дальнейшее развитие процесса может идти в более благоприятных для выброса условиях, лучше описываемых уравнением (11.8). Однако, начало такого процесса все же следует рассматривать с позицией уравнения (11.12).

По-видимому было бы полезно создать дистанционно управляемый буровой станок, работающий с противодавлением, равным или большим р. В этом случае, при постепенной дегазации скважины, пробуренной на выбросоопасный прослоек, опасность начала динамического явления может снизиться в сторону пределов, определяемых по уравнению (11.4).

Предлагаемые принципы аналитических решений основаны на ряде упрощающих допущений, многие из которых приемлемы только для разработки принципиальной схемы решения.

Использование современных средств измерений напряженного или деформированного состояния массивов и вычислительной техники может значительно повысить достоверность результатов оценки условий возникновения динамических явлений, в том числе горных ударов или внезапных выбросов.

Опасность разрушения угля вблизи обнажений усиливается при отслоении мошной кровельной пачки коренных пород, производстве взрывных работ в сравнительной близости и даже работой ударным инструментом.

Для перечисленных возбудителей характерно волновое распространение дополнительных напряжений в пласте или разгрузка напряжений.

Волновое изменение напряженного, а значит и деформированного состояния пласта, должно отразиться на его устойчивости, хотя средние значения напряжений вблизи обнажения не изменятся. Мгновенные значения напряжений изменяются до оср.l ± од, где оср.l — среднее значение напряжения растяжения в сторону обнажения на расстоянии l, а oд — динамическое изменение этого напряжения во фронте волны.

Еще сильнее проявятся изменения напряженного состояния пласта, например, при коренной посадке кровли в очистном забое или при отслоении мощной пачки основной кровли. В таком случае напряженное состояние пласта, во фронте волны, станет равным оср.lи + од', и только потом, когда волновые колебания успокоятся, установится новое среднее напряжение оср.lи. Согласно волновой механике динамическое изменение напряженного состояния пласта од' должно быть равным оср.l — ocp.lн, а колебание напряженного состояния будет в границах от оср.l до 2оср.lи — оср.l, с затуханием до оср.lи.

Влияние указанных изменений напряженного и деформированного состояний пласта можно проследить по тому же уравнению (11.12), но при новых видах напряженного состояния.

Действительно, при коренной посадке кровли в очистном забое среднее значение напряженного и деформированного состояния пласта вблизи обнажения снижается, а во фронте волны напряжений (деформаций) оно снижается вдвое и только после успокоения колебаний массива оно становится равным новому среднему. При этом первый и третий члены уравнения (11.12), зависящие от напряженного состояния пласта, уменьшаются, а это значит, что уменьшаются силы сцепления (трения) опасной пачки угля о боковые породы или соседние пачки угля. Второй член уравнения, зависящий от газового давления р, останется неизменным. В этих новых условиях не исключено, что газовое давление окажется достаточным для преодоления прочности угля при растяжении и сил сцепления (трения) опасной пачки о соседние пачки угля или породы и возникнут условия для развития динамического явления там, где до коренной посадки кровли их не было.

Напомним, что прочность угля при растяжении во много раз меньше напряжений растяжения, вызываемых газовым давлением. Если бы не было сил трения между пачками угля, вызванных давлением вышележащих пород, то все угли газовых шахт давали бы выбросы.

В случае расслоения мощной пачки коренных пород кровли происходит значительное увеличение напряжений угля вблизи обнажения, что приводит к увеличению первого и третьего членов уравнения (11.12) при неизменном значении второго члена уравнения. Во фронте волны приращение напряжений вдвое выше среднего приращения и потому значительный рост напряжений и, значит, относительных деформаций (если не возникло заклинивание пласта плавно опустившейся кровлей), может вызвать в призабойной части опасной пачки угля столь высокие деформации растяжения, что выброс угля станет неизбежным.

Таким образом, под влиянием волновых изменений напряженного и деформированного состояния пласта как при коренной посадке кровли, так и при отслоении мощной пачки коренных пород возможно существенное увеличение деформаций растяжения по оси 3 опасной пачки угля и инициирование выброса.

Дальнейшее развитие выброса или горного удара будет зависеть от потенциальной энергии разрушаемого угля (породы), а также энергии высвобождающегося сорбированного газа, Однако, эти вопросы выходят за рамки настоящей монографии.

Независимо от условий нагружения массива угля (статического или волнового) сохраняется условие возникновения динамического явления

Изученность влияния вида напряженного состояния на свойства горных пород позволяет моделировать их поведение в натурных условиях.

Методы расчета с использованием экспериментально установленных показателей прочности пласта, его упругих характеристик, выяснение картин распределения напряжений или деформаций в зоне ведения горных работ позволяют оперативно моделировать натурные условия по результатам лабораторных испытаний углей и горных пород.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна