Механизм развития выбросов породы при буровзрывном способе проведения выработок

Анализ статистических данных о выбросах породы и горных ударов в России и за рубежом позволили установить, что они в основном обусловлены напряженностью массива. Зарегистрированные выбросы пород на шахтах Донбасса происходили при ведении взрывных работ, которые не являются причиной выбросоопасности пород, а служат провоцирующим импульсом.

В связи с актуальностью борьбы с выбросами породы в последнее время опубликовано много работ по этому вопросу. Несовпадение мнений авторов на природу и механизм развития данного явления свидетельствует о сложности явления выбросов породы и недостаточной его изученности. Однако все исследователи первопричиной выбросов считают перенапряженное состояние массива с определенными физико-механическими свойствами, способного накапливать большие запасы потенциальной энергии упругих деформаций.

Так, например, И.В. Бобров на основании исследований пришел к выводу, что основной причиной выбросов пород являются высокие напряжения, возникшие в результате проявления тектонических сил, ориентированных в плоскости напластования или близко к ней. Источником энергии, развивающей выброс, считается потенциальная энергия, сохранившаяся в упругой деформированной породе. О тектонических напряжениях как основной причине выбросов породы, имеются данные в работе. Наряду с тектоническим происхождением напряжений в массиве горных пород существуют и другие точки зрения на природу напряженного состояния массива, приводящего к развитию выброса. В работе повышенные напряжения, возникающие на контурах проводимой выработки, объясняются мгновенным перемещением местных напряжений во время взрыва шпуровых зарядов и отрыва породы от целика в забое выработки, вследствие чего вновь образованный контур выработки внезапно оказывается под нагрузкой ударного характера. В результате происходит хрупкое разрушение пород в забое.

Выбросы породы в глубоких шахтах Г.Д. Ефремов объясняет наличием местных напряжений на контурах проводимых выработок до 3рН (здесь р — плотность пород; Н — глубина горизонта), которые мгновенно удваиваются при перемещении забоя и результате отрыва породы при взрыве комплекта шпуровых зарядов. Такая нагрузка, по мнению автора, и доводит породу до разрушающего перенапряжения.

Основываясь на экспериментальных данных, П.Я. Галушко объясняет выбросы породы влиянием аномального напряженного поля, сила которого характеризуется увеличением вертикальной составляющей против расчетной для глубины 915 м в 1,6 раза, а горизонтальной — в 6 раз. Поэтому, когда забои выработки не перемещается, породы находятся в равновесном состоянии. При взрыве шпуров прекращается уравновешивание призабойной частью массива горизонтальной составляющей аномального поля напряжения, что приводит к мгновенному разрушению породы.

В.И. Николин на основании исследований выбросоопасных песчаников ряда шахт Центрального и Донецко-Макеевского районов отрицает существование активных тектонических напряжений в массиве горных пород. По его мнению, основная причина аномальных напряжений в выбросоопасных слоях — наличие в породе газа (метана) под высоким давлением. Возникновение внутренних, дополнительных к гравитационным, напряжений обусловлено склонностью песчаника к набуханию при метанонасыщении и степенью стеснения этого набухания.

Рассмотренные гипотезы имеют определенный недостаток, заключающийся в том, что принимается во внимание только один из факторов, способствующий созданию напряженного состояния массива. Нельзя полностью отрицать наличие тектонического поля напряжений в массиве горных пород. Определенное влияние на напряженное состояние оказывает и наличие газа под большим давлением. Подтверждением данному положению свидетельствует тот факт, что выбросы в аналогичных породах зафиксированы, начиная с глубины 750 м. На вышележащих горизонтах, несмотря на газонасыщенность пород, выбросы не происходят.

Нет единого мнения и о процессе развития выбросов породы при проведении горных выработок буровзрывным способом.

Э.О. Миндели выброс породы под влиянием взрыва при проведении горных выработок представляет следующим образом. Прилегающая к забою порода, за исключением разрушенной зоны, находится в состоянии объемного трехосного сжатия. При взрыве происходит перераспределение напряженного состояния и деформация пород, окружающих заряд. С момента появления трещин, т. с. образования новой открытой поверхности в массиве, порода уже не находится в состоянии трехосного равномерного сжатии. В этот момент на границе вновь образованной поверхности формируются волны разряжения и потенциальная энергии объемного сжатия переходит в кинетическую энергию одновременного плоского движения. Деформации возможны только в том направлении, вдоль которого напряжение не уравновешено; следовательно, в этом направлении происходить движение частиц породы. Роль взрыва при выбросе сводится к быстрому отделению массива породы, заключенной в ненапряженной зоне, с обнажением по некоторой поверхности зоны объемного трехосного сжатия, давление в которой можно считать равным гидростатическому с аномальными отклонениями геотектонического или релаксационного характера. Если величина гидростатического давления такова, что на вновь образованной поверхности скорость частиц в волне разгрузки превосходит или равна скорости частиц на отрыве, то чем больше запас потенциальной энергии объемного сжатия, тем более вероятен выброс.

В работе начало развития выброса породы, микроразрушений объясняется следующим образом. До проведения выработки порода находится в объемном напряженном состоянии. Проведение выработки вызывает перераспределение напряжений в определенной для конкретного случая зоне и переход породы из состояния трехосного сжатия к сложному напряженному состоянию в связи с тем, что она получает возможность деформироваться в сторону выработки. Отсутствие бокового подпора со стороны выработки создает условия для деформаций упругого восстановления, т. е. деформаций растяжения.

В случае достижения растягивающими напряжениями предельных значений временного сопротивления пород растяжению, происходит разрушение в какой-то весьма ограниченной области. Оно вызывает новое перераспределение напряжений, а следовательно, возможно новое ограниченное разрушение в небольшой зоне, примыкающей к забою. Процесс разрушений уподобляется цепной реакции, происходящей до тех пор, пока деформации растяжения не достигнут предельных значений породы на разрыв или не образуется перемычка в выработке, сдвинуть которую силы, производящей выброс, уже не в состоянии.

Исследования выбросов породы на шахте им. Скочинского, выполненные с помощью скоростной киносъемки, а также анализ происшедших выбросов породы позволяют сделать вывод, что динамические напряжения от взрывных нагрузок являются одним из основных факторов, объясняющих начало выбросов.

При изучении зафиксированных на кинопленку выбросов установлено, что разлет породы при взрыве шпуровых зарядов и выбросе происходит в потоке газов. С учетом этого были рассмотрены основные факторы определяющие дальность полета и величину откола породы при взрыве шпуровых зарядов и выбросе.

Рассматриваемые газовые потоки обладают нестационарным полем скоростей. Движение осколка в таком потоке определяется сложной функциональной зависимостью между его траекторией и силой, действующей на него. Точное решение этой задачи представляет значительные математические трудности.

Для решения поставленной задачи предположим, что за время движения осколка поле скоростей газового потока изменяется слабо, т. е. считаем его стационарным. При расчетах воспользуемся усредненными значениями проекций скоростей потока

где Lт — длина траектории полета куска, м,

vx(х, у) и vy(х, у) — проекции вектора скорости соответственно на оси х и у, м/с.

Определим время полета осколка. Движение куска породы в вертикальной струе газа описывается уравнением

где m — масса куска, кг; vв — вертикальная составляющая его скорости, м/с; а — коэффициент аэродинамического сопротивления.

Решением уравнения (7) при начальном условии Vв = vов является выражение

где vgh — предельная относительная скорость движения осколка, м/с,

Время полета тела tп находится из уравнения

или после интегрирования

Из уравнения (9) при условии

Дальность полета куска породы определяется выражением

Горизонтальная составляющая скорости куска vr(t) является решением дифференциального уравнения

Отсюда при начальных условиях vг=v0г получим

Подставив выражение (11) в (10), получим

Подставив в уравнение (12) экспериментальные данные начальных скоростей разлета породы, определим дальность разлета породы соответственно при взрыве и выбросе. Для аналитического расчета дальности разлета породы определим зависимость величин скорости смещения v0в и v0г от основных параметров шпурового заряда в акустическом приближении. Откольные явления у устья шпура наблюдаются в том случае, когда скорости смещения частиц в этой области массива достигают критической величины, численное значение которой определяется соотношением

где ор — предел прочности горной породы на разрыв, кгс/см2; р — плотность горной породы, г/см3; с — скорость продольной волны, м/с.

Учитывая диссипативные потери при распространении волн напряжений в горном массиве, вызванные трещиноватостью и отклонением, его свойств от модели идеально упругой среды, получим следующие выражения:

где а = arctg W/r, W — заглубление центра тяжести заряда, см; r — радиус воронки, см; k — коэффициент диссипации энергии волны напряжений; l — размер отколовшегося куска (см), определяемый из условия разрушения верхней части массива:

где o0 — напряжение в породе у стенки шпура, кгс/см2; т — продолжительность положительной фазы волны напряжений, мс; r0 — радиус шпура, см.

Как известно,

где рВВ — плотность BB, г/см3; D — скорость его детонации, м/с.

Таким образом,

Из анализа уравнения (12) следует, что дальность полета зависит от изменения составляющих скорости газового потока и начальной скорости движения куска. Составляющие начальной скорости определяются физико-механическими свойствами породы и расположением заряда ВВ. Из соотношений (13) и (14) следует, что с уменьшением размеров куска уменьшается вертикальная составляющая начальной скорости и увеличивается горизонтальная составляющая. Теоретические исследования показывают, что дальность разлета породы при выбросе определяется скоростью потока газообразных продуктов взрыва. Теоретические исследования были подтверждены результатами экспериментов. Начальные скорости разлета породы при выбросах меньше, чем при взрывах зарядов, соответственно и дальность разлета породы при выбросе меньшая. Начальная скорость разлета, в свою очередь, зависит от толщины откалываемого слоя породы. При выбросе толщина слоев породы значительно меньше, чем при разрушений взрывом.

Анализ статистических данных о выбросах породы, происшедших на шахтах Донбасса, и результатов исследований показал, что выбросы происходят в газонасыщенных породах с определенными физико-механическний и литолого-петрографическими свойствами под действием статических и динамических полей напряжений, Таким образом, выброс представляется как процесс динамического, квазихрупкого разрушения предельно напряженной горной породы.

Согласно гипотезе, основанной на расчетах лабораторных и промышленных экспериментах, механизм развития выброса в выработку, проводимую буровзрывным способом, представляется следующим образом. Призабойная зона до начала взрывных работ находится в условиях неравнокомпонентного объемного сжатия под действием природных сил различного происхождения (горное давление, тектонические нарушения, газ и др.) и имеют определенный запас потенциальной энергии упругих деформаций. Слой породы на поверхности забоя служит подпором и будучи сжатым в двух взаимно перпендикулярных направлениях (осях выработки) находится в предельном (предразрушающем) состоянии.

Возникшая в результате взрыва шпуровых зарядов ударная волна при подходе к открытой поверхности забоя раскрывает имеющиеся в песчанике различного рода поры, микротрещины и другие дефекты структуры, не производя при этом откольных разрушении. В момент отражения волны (рис. 24) компоненты напряжений на ее фронте меняют свои знаки на противоположные: тангенциальные, становясь сжимающими и складываясь с существующими в массиве, способствуют возникновению отколов, производимых радиальной (уже растягивающей) компонентной. Последняя, распространяясь в глубь массива, складывается с полной разгрузки, возникшей за счет постоянного перемещения контура забоя на вновь образуемую открытую поверхность. Происходит процесс как бы самоподдерживающего разрушения, продолжающийся и после снижения, растягивающих напряжений в волне разгрузки уже за счет сил упругого восстановления и давления газа, Последний, уменьшая местный предел прочности на растяжение, способствует выносу разрушенной породы из образующейся полости выброса. Такое разрушение прекращается после достижения полостью устойчивой формы. Как видно, взрыв шпуровых зарядов, нарушив начальное равновесие, служит провоцирующим фактором выброса породы.

Приведенный механизм возникновения и развития выбросов породы позволяет наметить следующие пути снижения их интенсивности и частоты проявления при буровзрывном способе проведения выработок:

а) снижение абсолютных величин напряжений, распространяющихся в массиве;

б) увеличение реологических, пластических свойств выбросоопасного массива и степени его нарушенности с целью снижения величины потенциальной энергии упругих деформации, накопленной в призабойной зоне.

Установлено, что динамическим полем напряжений можно управлять путем, выбора типа и массы BB, применения зарядов с демпфирующей прокладкой и рассредоточенных воздушными промежутками, изменения направления детонации заряда, организации взрывных работ с опережающим врубом.

Вместе с тем, несмотря на эффективность методов локализации выбросов с использованием взрывных работ, они не позволяют полностью исключить проявления выбросов. В перспективе в этих условиях преимущественное развитие получит комбайновый способ проведения выработок. Однако при этом остается значительный объем выработок, для проведения которых комбайн не может быть использован, и единственным способом проходки остаются буровзрывные работы. В связи с этим повышение эффективности буровзрывных работ путем снижения интенсивности и чистоты проявления выбросов по-прежнему имеет важное значение.