07. Понятие о горном давлении

Нетронутый породный массив находится в равновесном состоянии. Внутри него существуют поля естественных напряжений вследствие действия сил  гравитации (силы тяжести).  С глубиной величина естественных напряжений, вызванных давлением налегающих пород, возрастает.

После проведения подземных выработок, в массиве происходит изменение напряженного состояния пород по сравнению с первоначальным состоянием, концентрация напряжения на отдельных участках. Силы, которые проявляются в массиве горных пород после проведения в нем выработок,  вызывают деформации горных пород, окружающих выработки, называют горным давлением.

Горное давление проявляется в виде деформации и разрушения массива на контурах выработок, сдвижения в сторону открытого пространства или даже обрушения отдельных, а иногда и значительных объемов пород.

О ПЕРЕРАСПРЕДЕЛИНИИ СИЛ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОКРУГ ОДИНОЧНОЙ ВЫРАБОТКИ

Склонность пород и руд к таким динамическим явлениям существенно влияет на выбор технологических решений при вскрытии, подготовке и разработке. Отличительная особенность динамических явлений — быстротечность разрушения части массива под воздействием сил горного давления.

В зависимости от интенсивности различают несколько типов динамических явлений:
• стреляние горных пород;
• породные взрывы (выбросы);
• микроудары;
• горные удары.

Наиболее опасны последние, представляющие собой быстро протекающее самопроизвольное разрушение массива с выбросом значительного количества раздробленной горной массы в горные выработки и их сильным повреждением. Горные удары сопровождаются резким звуком, воздушной волной и сотрясением массива в радиусе от сотен метров до десятков километров от места удара, образованием большого количества пыли.

Для возникновения горного удара необходимо, чтобы скорость изменения напряженного состояния удароопасного участка превышала скорость релаксации напряжений в ней.
Сформулируем общие для всех типов проявления  необходимые и достаточные условия возникновения горного удара, исходя из известного положения о том, что в результате внешних воздействий напряженно-деформированное состояние массива изменяется; меняются вследствие этого и прочностные характеристики самого породного массива.

Необходимое условие возникновения горного удара:

породный массив должен  находиться в состоянии трехосного неравнокомпонентного сжатия, причем  хотя бы одна из действующих сжимающих сил должна превосходить  предел прочности  пород данного типа на одноосное сжатие.
В таком состоянии находятся почти все крепкие, средней крепости горные породы на больших глубинах, и расположенные вблизи земной поверхности геологические платформы, сложенные крепкими плитами, находящимися в условиях горизонтального  сжатия силами тектонической природы. Известно несколько таких регионов, в нашей стране это районы Кольского полуострова, Северный Урал, юг Восточной Сибири, Северный Кавказ.

Достаточное условие возникновения горного удара:

хотя бы одна из действующих сжимающих сил внезапно исчезает,  снижается до критической, при которой массив не в состоянии сопротивляться, или меняется на растягивающую силу, а оставшиеся две силы  включают в себя силу,  превосходящую  предел прочности горных пород на одноосное сжатие.
На Отечественных рудниках горные удары впервые были отмечены в СССР в середине ХХ века на Криворожском месторождении. В настоящее время они проявляются при разработке Североуральского, Таштагольского, Шерегешского, Умбозёрского и других рудных месторождений.

Ситуации, в результате которых формируются   необходимое и достаточное условия для возникновения горного удара,  складываются  чаще всего при ведении взрывных работ,  например, при отработке месторождений системами с массовым принудительным обрушением. Перед фронтом ведения очистных работ массовыми взрывами на больших пространствах неотработанных рудных тел и окружающих пород наводится поле  технологической трещиноватости. Следствием этого является мгновенное существенное снижение прочности окружающим массивом горных пород, значительное перераспределение напряжений.

Следующей причиной создания таких условий могут служить  подземные горные работы, часто ведущиеся на нескольких горизонтах одновременно. В результате чего на некоторые охранные, панельные или опорные целики, иногда вне зависимости от глубины разработки,  внезапно добавляется  такая нагрузка, вызванная отбойкой не только непосредственно соседствующих участков массива, но и на большом  расстоянии от них, что складываются необходимые условия для возникновения горного удара. Трещиноватый массив переводится в перенапряженное состояние, в результате чего давление налегающих пород превосходит предел прочности на одноосное сжатие.

Достаточным же условием в данном случае является наличие множества имеющихся трещин, являющихся свободными поверхностями. Могут быть и другие стечения обстоятельств при ведении горных работ, приводящие к сочетанию необходимого и достаточного условий возникновения горных ударов.
Реже такие ситуации формируются силами тектонического происхождения, их опасность тем велика, что они сопровождаются мощным сотрясательным эффектом, выделением большой энергии и в наименьшей степени прогнозируются.

Принципы предотвращения горных ударов.
• снижение горного давления;
• снижение способности краевых частей рудных залежей и пород, прилегающих к выработкам, к упругому деформированию и накоплению больших запасов потенциальной энергии;
• обеспечение мероприятий по защите людей и горных выработок от последствий горных ударов;
• управление процессом хрупкого разрушения руды и пород;
• создание на рудниках научно-обоснованной службы прогноза и предотвращения горных ударов.

Снижение вредного влияния горного давления при ведении работ является одним из главных принципов безопасной отработки месторождений, склонных к горным ударам. Оно достигается путём соответствующих раскройки и отработки рудничных полей, ведения горных работ широким фронтом с планомерным развитием их в направлении от выработанных пространств на массив руды с минимальным количеством выработок в массиве и без оставления целиков, совершенствования технологии разработки месторождений, применения опережающей разработки защитных рудных тел или создания искусственных полостей в массиве горных пород, использования закладки.

Снизить способность краевых частей рудных залежей и пород, прилегающих к выработкам, к накоплению больших запасов потенциальной энергии возможно путем изменения их физико-механических свойств, то есть созданием так называемых защитных зон. Ширина защитной зоны зависит от напряжений, действующих вокруг выработки, от общего уровня напряжённого состояния нетронутого массива, от прочностных свойств и трещиноватости пород. Такие зоны создаются путём применения камуфлетного взрывания зарядов ВВ, бурение разгрузочных скважин, нагнетание воды в горные породы через сеть шпуров или скважин и создание разгрузочных щелей. Для снижения интенсивности стреляния пород и горных ударов немаловажное значение имеет выбор рациональной формы поперечного сечения выработки и её размеров.

Для обеспечения мероприятий по защите людей и горных выработок от последствий горных ударов необходимо: придание выработкам наиболее устойчивой формы сечения; проходка специальных разгрузочных щелей; выбор оптимального режима ведения горных работ; расположение выработок в закладочном массиве. Для предотвращения горных ударов необходимо применение контурного взрывания, которое позволяет проходить выработку строго заданной формы и снизить неровности контура, так как во впадинах напряжения в несколько раз выше, чем на выступах (рис. 7.2.).

Существенной мерой защиты от последствий горных ударов, является выбор направление проведения горной выработки и наиболее устойчивой формы поперечного сечения с учётом величины и направления главных напряжений в массиве. Большинство рудных месторождений находятся в условиях неравномерного поля напряжений при преобладании горизонтальных напряжений над вертикальными. Одним из характерных признаков их проявлений является формирование шатровой формы выработок после обрушения (рис.7.3., рис 7.4.).

Разгрузочные щели являются одним из эффективных средств защиты от горных ударов. Разгрузочные щели создаются путём направленного бурения шпуров при помощи специального устройства (рис. 7.5.). Первый шпур пробуривается обычным способом. Начиная со второго шпура, на буровую штангу укрепляется специальная насадка, позволяющая разбуривать последующие шпуры без образования стенок между ними.

Известно, что горные удары возникают только при определённом сочетании горно-геологических и горнотехнических факторов. Поэтому на месторождениях опасных по горным ударам формируются специальные службы прогноза.

© Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К.
"Основы горного дела"

 

 

Запрещается любое копирование и распространение информации без письменного согласия авторов учебника "Основы горного дела" 

ЭКСКЛЮЗИВНЫМ ПРАВО НА ПУБЛИКАЦИЮ ОБЛАДАЕТ "ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОРТАЛ РОССИИ"