Влияние взрывных работ на проявление выбросов породы

01.12.2020

При проведении горных выработок в напряженных выбросоопасных породах в призабойной зоне массива возникает сложное напряженное состояние. Так как со стороны забоя нет бокового подпора, по оси выработки в призабойной зоне проявляется область растягивающих, напряжений, за которой следует область сжимающих напряжений. Глубина области растягивающих напряжений зависит от площади сечения выработки и физико-механических свойств пород.

При взрыве шпуровых зарядов по массиву распространяется волна сжатия, под действием которой происходят разрушение и отбрасывание породы. Этот процесс сопровождается перераспределением напряжений в призабойной зоне. На вновь образованной поверхности забоя действуют растягивающие напряжения не только от статической нагрузки, но и от волны разгрузки, вызванной динамическими напряжениями.

В тех случаях, когда суммарная величина растягивающих напряжений от статических и динамических нагрузок на вновь образованной поверхности забоя превышает предел прочности породы на растяжение, происходят отколы и повторное перераспределение напряжений в призабойной зоне. Процесс прекращается, когда растягивающие напряжения на вновь образованной поверхности станут меньше предела прочности пород на растяжение.

Существуют различные точки зрения на влияние динамических напряжений на проявление горных ударов и выбросов породы. В частности, о влиянии динамических напряжении как провоцирующего импульса, на проявление горных ударов и выбросов породы указанo в работах. Вместе с тем ряд исследователей не принимают влияние динамических напряжений как провоцирующего импульса на возникновение выбросов в статических напряженных породах.

При проведении опытных взрывов для определения влияния динамических напряжений на развитие выбросов породы полевой штрек площадью сечения 10,6 м2 проводили в слое выбросоопасного песчаника. Выбросы интенсивностью до 200 м3 происходили из кровли и боков выработки после каждого взрыва полного комплекта шпуров.

Перед опытными взрывами в забое по оси выработки бурили скважину на глубину 20 м. По толщине дисков керна согласно методике МакНИИ определяли степень выбросоопасности пород. Деление керна на диски толщиной 5—10 мм, начиналось с глубины 0,65 м. Малая толщина дисков свидетельствовала о высокой степени выбросоопасности пород. Выработка была закреплена до забоя металлическими арками в бетоне. Полости от выбросов в кровле заполняли песчано-цементным раствором. В забое была возведена железо-бетонная перемычка. По периметру выработки бурили 22 скважины диаметром 59 мм, которые заряжали аммонитом скальным № 1 в патронах диаметром 45 мм, масса заряда составляла 10 кг, длина 4,4 м. При этом 3,6 м скважины заполняли песчано-глинистой смесью. Заряды инициировали электродетонаторами КЗ-ПМ-15. Вначале было взорвано восемь скважин с двумя ступенями замедления. Масса одновременно взрываемых зарядов составляла 40 кг.

При взрыве восьми нижних скважин (рис. 44, а) произошел микровыброс. Железобетонная перемычка в месте расположения скважин была разрушена на высоту до 0,8 м. Полость от выброса распространялась в глубину до 2 м. Разрушение железобетонной стенки и развитие выброса произошли только в зоне расположения скважин. Нарушений в оставшейся части железобетонной перемычки не наблюдалось. Остальные 14 скважин взрывали в один прием с четырьмя ступенями замедления. Во время взрыва скважинных зарядов произошел выброс породы интенсивностью до 50 м3. железобетонная перемычка была разрушена. Отдельные блоки от перемычки объемом до 1,5 м3 отброшены на 20 м Выброс, породы развился по ходу, выработки на 4,5 м (рис. 44,б). В кровле выработки полость не превышала 0,7 м. Выброс породи как в первом случае так и по втором развился под воздействием волны разгрузки на открытой поверхности забоя при взрыве.

Опыт проведения выработок по выбросоопасным породам показал, что расположение шпуров по всему забою сопровождается выбросами большой интенсивности. Раздельное взрывание врубовых, вспомогательных и оконтуривающих шпуров позволяет снизить интенсивность выбросов. Однако это не всегда достигалось. Так, на шахте им. Скочинского буровзрывные работы велись с образованием врубовой полости на глубину 4—5 м, площадь сечения которой составляла 50—60% от проектной. Крепление врубовой полости не предусматривалось.

Для сохранения опережения врубовой полости и сокращения времени на ведение взрывных работ врубовые и оконтуривающие шпуры взрывали за один прием. Оконтуривающие шпуры располагали в два ряда при л. н. с. до 1 м и более. При этом частота выбросов не снижалась, а в некоторых случаях даже увеличилась. Соответственно увеличилась интенсивность выбросов, так как нависающие породы обрушивались по всей длине врубовой полости.

Усредненные данные о влиянии параметров буровзрывных работ в породах с f=7-8 на интенсивность выбросов приведены в табл. 24, из которой видно, что с уменьшением числа одновременно взрываемых шпуров интенсивность выбросов снизилась в 1,8 раза.

Для определения влияния параметров буровзрывных работ при наличии предварительного напряжения в среде при лабораторных исследованиях напряжения датчиками (например, пьезоэлектрическими или емкостными из титаната бария) измеряли в ограниченном числе точек. В связи с этим трудно выяснить картину распределения напряжений по всей призабойной зоне.

По методу динамической фотоупругости исследования проводили на плоских моделях из органического стекла размером 160х190х24 мм, имеющих вырез, соответствующий сечению выработки в координатных плоскостях xOz и уOz (при системе координат с центром в забое выработки и осью Ox, направленной вдоль оси выработки). В забое выработки в плоскости xOz образована опережающая врубовая; полость на однократную, двукратную и трехкратную длину шпура. Шпуровые заряды взрывали в забое опережающей врубовой полости. Покадровой съемкой процесс развития поля изохром (линий равных максимальных напряжений) фиксировали фоторегистрирующей установкой СФР-1м в режиме лупы времени. По кинограмме расшифровывали процесс развития поля изохром во времени.

Напряжения на контурах выработки определяли по формуле
Влияние взрывных работ на проявление выбросов породы

где n — порядок полос; оо.д — оптическая постоянная модели в динамике, кгс/см2; b — толщина модели, см.

Значение оптической постоянной материала по напряжениям, а также по деформациям в общем случае зависит от скорости деформаций. Для оргстекла оптическая постоянная по напряжениям, определенная по известной методике, составила 216 кгс/см2, статическая постоянная 185 кгс/см2.

В процессе изменения напряженного состояния в кровле опережающей выработки уменьшенного сечения при ее длине, равной трем длинам шпура, на первом и втором кадрах четко просматривается распределение напряжений от статической нагрузки (рис. 45,а). Под действием поля напряжений от динамической нагрузки наблюдается изменение характера статического поля напряжений в периоды времени. 16, 20, 26 мкс. Максимальная концентрация напряжений происходит на забое широкой выработки. К периоду времени 32 мкс поле изохром от статических напряжений, достигнув максимальной концентрации, начинает перемещаться в. сторону фронта динамической волны напряжения. К периоду 38 мкс наблюдается совместное действие полей статических и динамических напряжении в забое и кровле широкой выработки. Частая смена порядка линий изохром свидетельствует о колебательном процессе на контурах выработки, что в производственных условиях приводит к развитию выброса.


Изменение поля напряжений в кровле опережающей выработки при ее длине, равной двум длинам шпура (рис. 45,б), несколько отличается, однако общий порядок смены линий изохром остается аналогичным.

При длине опережающей выработки, равной длине шпура (рис. 45,в), уже к периоду времени 20 мкc динамическое поле напряжений достигает забоя широкой выработки. В дальнейшем поле изохром распространяется по кровле широкой выработки более равномерно и только к 42 мкc наблюдается смена линий изохром. Это свидетельствует. о том, что . колебания в массиве по своду выработки происходят менее интенсивно. Соответственно снижается вероятность разрушения массива за проектным контуром.

Распределение напряжений по длине опережающе полости в различные периоды времени рассматривается в интервале от 8 до 36 мкс с начала взрыва (рис 46 а). В более поздние периоды времени начинается взаимодействие отраженных от полости и границ модели воли, в результате чего напряжения значительно ослабевают. Кривая для момента времени т=0 соответствует исходному статическому распределению напряжений. Динамическая волна напряжений от взрыва шпурового заряда распространяется по среде со скоростью до 3100 м/с и через 10 мкс достигает свода врубовой полости (см. рис. 45,а). Напряжения в распространяющейся волне достигают 500 кгс/см2. В последующие периоды времени волна напряжений перемещается по своду врубовой полости с максимальными напряжениями до 350 кгс/см2.

Аналогичное распределение напряжений во времени наблюдается, при взрывах зарядов в моделях с более длинным опережением врубовой полости (рис. 46,б, в). При этом напряжения, распространяющиеся по своду врубовой полости, остаются довольно высокими. Так, при двукратной длине врубовой полости напряжения на забое проектной площади сечения достигают 300 кгс/см2 и при трехкратной — 150 кгс/см2.

Анализ покадровой съемки процесса изменения поля напряжений от взрыва заряда BB в предварительно напряженной среде позволяет принять следующий механизм разрушающего действия от наложения динамической нагрузки на статически напряженный массив.

При взрыве шпурового заряда в окружающем массиве возбуждается волна сжатия, которая распространяется в основном в радиальном направлении. При достижении открытой поверхности забоя волна отражается и меняет знак на обратный. В результате по открытой поверхности распространяются продольные и поперечные волны, которые вызывают колебание и смещение частиц массива. Совместное действие растягивающих напряжений от статической и динамической нагрузок зачастую превышает предел прочности пород на растяжение, что и вызывает разрушение массива во врубовой полости на всем незакрепленном участке.

По данным работы, напряжения, возникающие на открытой поверхности выработки, при прохождении продольных и поперечных волн на расстоянии до 8 м от забоя достигают 61 кгс/см2. Прочность выбросоопасных песчаников на растяжение находится в пределах 50—120 кгс/см2.

Из приведенных данных видно, что величина напряжений, распространяющихся по своду выработки при взрыве шпуровых зарядов в забое; в некоторых случаях превышает предел прочности пород yа растяжение. Незакрепленная опережающая врубовая полость большой протяженности способствует увеличению объема разрушения массива за проектными контурами выработки.

Анализ результатов лабораторных экспериментов позволил установить, что с целью ограничения разрушения массива за проектным контуром выработки оптимальная длина врубовой полости должна быть в пределах длины одного шпура.

Выбросы пород часто происходят под действием упругих колебаний массива, при оконтуривании выработки. Существенное значение при этом имеют величина л.н.с. и коэффициент сближения между оконтуривающими шпурами. Для выяснения влияния этих факторов на напряженное состояние массива вблизи контура выработки при взрывании шпуровых зарядов были проведены эксперименты на плоских моделях из оргстекла при коэффициентах сближения m. равных 0,7; 1; 1,3. В моделях создавали плоское статическое напряженное состояние при номинальной нагрузке 100 кгс/см2 (рис. 47,5 и 48).

Сравнивая процесс распространения напряжений от взрыва шпуровых зарядов, можно установить, что линии изохром более интенсивно распространяются в модели, статически напряженной. При этом напряжения концентрируются у пяты свода, что обусловливает расширение объема разрушения среды.

Существенное отличие и в разрушении модели, при отсутствии напряжений в среде (см. рис. 47,а), когда зона трещипообразования распространяется в радиальном направлении (на рис. 47,б — по линии глазных касательных напряжений).

Влияние коэффициента сближения между шпуровыми зарядами на характер напряженного состояния по периметру выработки в массиве показано на рис. 48.

По контуру выработки (в полярной системе координат) распределение напряжений во времени обусловлено взаимным расположением зарядов. Поле напряжений у модели с m=0,7 больше напоминает поле напряжении от взрыва одного, но большего по величине заряда, форма изохром при этом близка к сферической. При m=1 и m=1,3. распространение изохром изменяется и отчетливо вырисовываются поля напряжений, создаваемые каждым зарядом в отдельности. Поля напряжении взаимодействуют между собой таким образом, что в промежутках между зарядами могут взаимно усиливаться. Однако степень усиления их различна в зависимости от расстояния между ними. При расстоянии между шпурами 10 мм касательные напряжения концентрируются между зарядами в узкой прилегающей части потолочины ( 700 кгс/см2), в остальных двух случаях значительно ниже (со 550 кгс/см2). В последующие периоды времени заметно разделение групп волн: одна группа волн расширения распространяется в массив до отражения от границ модели, другая — движется вдоль стенок контура и с течением времени, захватывая все большую область, прилегающую к выработке, частично отражается в виде волн сдвига. На кадрах, соответствующих 30—38 мкс, видны две группы волн от сдвига отражения в месте перехода потолочины в боковые стенки выработки Под углами к вертикальной оси симметрии выработки 30 и 110° у модели с m=0,7 (см. рис 48, а) и 55 и 110° у модели с m=1,3 (см. рис.48,б). Отраженная волна меньшей интенсивности распространяется далее в массив. На кадрах, соответствующих 46 и 54 мкс, волны, отражаясь от границ, взаимодействуют и поле, напряжений становится хаотическим. Однако, если вначале примерно до 30 мкс у модели с меньшим расстоянием между зарядами (10 мм) напряжения в области потолочины были больше, то в дальнейшем вследствие отражения напряжения на стенках выработки уменьшаются настолько, что становятся меньше, чем у других моделей.

Анализируя рис. 47 и 48, можно отметить следующую основную закономерность. В случае меньших расстояний между зарядами в первые 20 мкс величина напряжений в потолочине, больше и уменьшается по мере продвижения волны резче, чем в случае больших расстояний, где напряжения изменяются более плавно. В последующие 24—36 мкс в определенном направлении отмечено резкое возрастание напряжении на стенках выработки. Видимое на кадрах, изменение направления изохром свидетельствует об изменении знака этих напряжений (сжатие сменяется растяжением). По этой причине, начиная примерно с 28—36 мкс, у моделей с m=1 и особенно с m=1,3 отмечается резкое увеличение напряжений в горизонтальном направлении.

Выполненные исследования позволили установить, что при прохождении упругих волн по напряженному массиву в призабойyой зоне на открытой поверхности возникают напряжения, превышающие предел прочности пород на растяжение. В результате происходят отколы кусков породы, предшествующие выбросу породы.

Для предотвращения развития выбросов из кровли выработки необходимо возводить жесткую крепь до забоя, а полости от предыдущих выбросов заполнять песчано-цементным раствором или другими заполнителями, чтобы не было свободного пространства, для смещения пород в выработку. Применение указанных мероприятий позволяет уменьшить вероятность проявления выбросов и обрушений породы в призабойной зоне при буровзрывном способе проведения горных выработок.

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