Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 13 )

Несмотря на отмеченное, до сих пор не разработана единая, общепризнанная теория горных ударов, хотя об условиях их возникновения и участвующих при этом факторах известно достаточно много. Рассуждая о механизме горных ударов, И. А, Турчанинов писал, что для выяснения того, что происходит с полезным ископаемым и вмещающими породами в момент удара, какие именно физические процессы приводят к удару и протекают за короткий период его развития, имеющихся знаний мало и они не выходят пока за рамки предварительных гипотез.

От себя добавим, что такое положение, безусловно, связано и с тем, что отсутствует вообще общепризнанная теория механизма разрушения твердых тел. Тем не менее, существует несколько серьезно проработанных гипотез о причинах разрушения горных пород при горных ударах.

Наибольшее внимание заслуживает точка зрения . Он сформулировал, в частности, принципиальное положение о механизме горных ударов в следующем виде: горный удар возможен в случае, когда скорость деформации, обусловленная нарастанием напряжений, превышает скорость пластического деформирования части пород, находящейся в условиях предельно напряженного состояния.

Рассматривая краевую часть массива, он выделяет в ней несколько зон, плавно переходящих одна в другую (рис. 16). Важным элементом этой схемы является зона В пород, находящихся в пластическом или псевдопластическом состоянии и обладающих высоким внутренним давлением, которое уравновешивается сопротивлением пород в зонах Б и Г.

Таблица 2 Энергетические характеристики различных классов горных ударов

Классы горных ударов	Сейсмическая энергия, Дж	Уровень сейсмичности в эпицентре, баллы
Микроудары (стреляние, толчки)	<10	<1
Слабые	10-102	1-2
Средние	102-104	2-4
Сильные	104- 107	4-5
Катастрофические	>107	>5

Толчок - локальное разрушение пород в глубине массива без выброса, сопровождающееся звуком и слабым сотрясением массива. Толчок может быть спровоцирован внедрением в массив рабочего органа технологической машины или инструмента, который и воспринимает его.

Слабый горный удар — локальное разрушение массива пород с небольшим выбросом в выработку, сопровождающееся звуком и небольшими сейсмическими колебаниями. При этом, как правило, крепь или механизмы не повреждаются.

Средний горный удар - проявляется в виде быстрого хрупкого разрушения части массива пород с выбросом или выдавливанием их в выработку, сопровождающегося образованием большого количества пыли, воздушной волны, нарушением крепи на протяжении нескольких метров и повреждением механизмов.

Сильный горный удар - хрупкое разрушение большого участка горных пород, дробление их и выброс в выработку, со­провождаются мощным звуковым и сейсмическим эффектом, нарушениями крепи и завалом выработки на протяжении не­скольких десятков метров, повреждением механизмов.

Катастрофический горный удар - проявляется в виде спонтанного (в форме цепной реакции) разрушения больших участков массива пород и ряда целиков, приводящего к завалу выработок в пределах добычных участков или горизонта в целом. Иногда разрушениями охватываются все основные выработки рудника. Сейсмический эффект горных ударов в этом случае по параметрам аналогичен сейсмическим проявлениям землетрясений.

О механизме возникновения и протекания внезапных выбросов

Условия возникновении внезапных выбросов крайне многообразны. В качестве общих тенденции можно отметить, что опасность проявления внезапныx выбросов, их частота и сила возрастают с увеличением глубины горных работ и давления газа, угла падения пород и мощности разрабатываемых пластов и залежей. При приближении горных работ к тектоническим нарушениям опасность внезапных выбросов также возрастает. Сила внезапных выбросов в очистных выработках обычно бывает большей, чем в подготовительных. Но наибольшую силу имеют выбросы, происходящие при вскрытии выбросоопасных пластов или залежей шахтными стволами и квершлагами.

Отмечено, что внезапные выбросы с участием углекислого газа, как правило, превосходят по силе выбросы с участием метана. В то же время между давлением газа в пласте или слое породы и его опасностью по внезапным выбросам нет непосредственной связи. Так, угольные пласты с давлением газа 25—30 кгс/см2 не давали внезапных выбросов, тогда как на пластах с давлением газа 2—3 кгс/см2 выбросы происходили. В подавляющем большинстве случаев развитие внезапных выбросов связано с непосредственным механическим воздействием на полезное ископаемое или породу: производством взрывных работ, воздействием на забой добычного механизма или инструмента. При этом с увеличением степени воздействия опасность выброса возрастает. Обычно выбросы происходят через несколько секунд после динамического воздействия на забой. Однако случаются и «запоздалые» выбросы, происходящие через более длительные промежутки времени после динамического воздействия, от нескольких минут до нескольких часов. В отдельных случаях выбросы происходят и при отсутствии работ в забое или даже при длительной его остановке. Относительно причин и вероятного механизма внезапных выбросов высказывали различные точки зрения. Крайние из ; них состоят в том, что одни исследователи приписывают главенствующую роль газовому фактору (давлению газов, заключенных в порах выбросоопасных пород), другие — горному : давлению. В результате обобщения обширных наблюдений за внезапными выбросами в различных горно-геологических условиях, а также проведения экспериментальных и теоретических исследований проф. выдвинул, обосновал и развил энергетическую теорию внезапных выбросов, получившую широкое признание специалистов. Согласно этой теории внезапный выброс является следствием скачкообразного изменения напряженного состояния участка массива полезного ископаемого пли вмещающей горной породы. Такое изменение может произойти в результате действия различных факторов: взрывной отбойки, сотрясательного взрывания, механического внедрения в массив рабочего органа, подхода выработки к тектоническому нарушению, вскрытия забоем выработки пласта или слоя, резко отличного по своим деформационным и прочностным характеристикам, динамической нагрузки и призабойной части массива в связи с обрушением зависших горных пород и пр.

Выброс начинается с частичного разрушения и растрескивания участка массива. Поскольку полезное ископаемое или порода насыщены газом, находящимся под давлением, из трещин, развивающихся при частичном разрушении, происходит быстрое выделение газа. Устремляясь в сторону пониженного давления и расширяясь, газ увеличивает разрушение участка массива и развитие трещин. В свою очередь этот процесс способствует десорбции газа из макро - и микропор.

По , в процессе внезапного выброса угля и газа может быть выделено три фазы развития:

а) начальное разрушение угля в призабойной зоне при внедрении горной выработки в неоднородный по прочностным свойствам пласт, при внезапном вскрытии пласта или при входе в зону геологического нарушения; это начальное разрушение является следствием внезапного увеличения градиента напряжений;

б) увеличение площади приложения давления газа на разрушающийся уголь (выход газа из микропор в трещины и пустоты расслоения) и начальный отброс угля;

в) усиление десорбции газа в процессе дробления угля, расширение газа и вынос измельченного угля в выработку в потоке газа.

Расчеты показывают, что величина mr может меняться в весьма широких пределах: от значений, превышающих единицу, до сотых долей. В среднем для песчаников mr близко к единице, а для сильно рассланцованных карналлитов и выбросоопасных углей его значение снижается до 0,05—0,1. При этом следует иметь в виду, что для выбросоопасных углей величину mr можно интерпретировать как долю поверхности, к которой приложено давление газа, поскольку каждая трещина в угле окружена множеством пор, выравнивающих напряжения и снижающих коэффициенты интенсивности давления газа у краев трещин.

Процесс внезапного выброса связан как с действием горного давления, т. е. с переходом потенциальной упругой энергии сжатия горных пород, находящихся в условиях предельного напряженного состояния, в кинетическую энергию хрупкого разрушения, так и с дробящим и метательным действием расширяющихся газов, насыщавших под давлением разрушаемый участок массива.

В процессе выброса давление расширяющегося газа резко возрастает и отбрасывает разрушенную и измельченную массу породы (угля, соли и пр.) в выработку. В наклонных выработках отброс разрушенной массы усиливается благодаря дополнительному действию ее собственного веса.

По мере развития выброса разрыхленная масса создает подпор на стенки кратера выброса, в известной мере препятствуя дальнейшему развитию процесса.

Исследования показали, что при внезапных выбросах прочных газонасыщенных песчаников в Донбассе основной их причиной являются большие тектонические напряжения, зарегистрированные непосредственными измерениями.

Сравнение динамических явлений разрушения участков массива — горных ударов и внезапных выбросов — показывает, что они имеют ряд общих черт: нахождение участка массива накануне разрушения в напряженном состоянии, близком к предельному; лавинообразный характер развития процесса разрушения; хрупкая форма разрушения горной породы при горном ударе и внезапном выбросе. В то же время эти явления имеют и существенные различия. Характерно, что горные удары на угольных месторождениях приурочены к прочным углям, а внезапные выбросы — преимущественно к непрочным. Ширина зоны хрупкого разрушения при внезапных выбросах больше, чем при горных ударах. Этим обусловлен разрыв во времени между началом хрупкого разрушения участка массива и выбросом разрушенной массы в выработку, т. е. значительно большая длительность внезапных выбросов по сравнению с горными ударами. При выбросе происходит значительно более интенсивный и далекий вынос измельченной массы, чем при ударе. Дальность отброса потока измельченного угля, взвешенного в газе, достигает сотен метров. В то же время при горных ударах происходят более сильные повреждения выработок, чем при выбросах, поскольку разрушающие напряжения в первом случае более высоки. Об этом свидетельствует более высокий частотный спектр упругих колебаний массива при горных ударах, чем при внезапных выбросах.