Файл: Медведев, И. И. Газовыделения на калийных рудниках.pdf

разгрузки. Эта зона на некотором расстоянии от поверхности забоя ограничивается поверхностью наибольших касательных напряжений, по которой п происходит разрушение породы в виде сдвига. Поверхность наибольших касательных напряжений на­ правлена выпуклостью в сторону массива, поэтому отрыв породы при выбросе происходит в виде выпукло-вогнутых пластин. Про­ цесс повторяется до тех пор, пока не встретится более пластич­ ный или прочный участок породы пли пока ранее разрушенная порода, оставшаяся в полости, не окажет тормозящего действия на процесс разрушения и отброса породы.

Результаты измерения напряжений в выбросоопасных песчани­ ках на шахте «Щегловка-Глубокая» показали, что значение вер­ тикальной составляющей напряжений превышает расчетное в 2,4 раза, а горизонтальной — в 13,7 раза, причем горизонтальная составляющая оказалась на 28 и 43% больше вертикальной. Аналогичные результаты были получены этими авторами н на шахте «Кочегарка».

В связи с изложенными выше взглядами на механизм выбро­

1)без образования трещин (пластическое разрушение);

2)растрескивание (хрупко-пластическое);

3)дробление (хрупкое).

Как уже отмечалось, характер разрушения породы зависит от величины и скорости приложения нагрузки, т. е. свойства горных пород являются функцией внешних условий.

Квапил исследовал главные факторы, от которых зависят физико-механические свойства пород:

вид II величину нагрузки (напряжений);

скорость изменения нагрузки или напряжения (временной фактор);

энергию излучения.

Из всех перечисленных видов разрушения нас интересуют пос­ ледние. два, поскольку при выбросах происходит непластическое разрушение пород. Хрупкость горных пород является функцией всех перечисленных факторов.

Как только одни из факторов изменяется в определенных пре­ делах, материал перестает быть хрупким (например, стекло, хрупкое при комнатной температуре, при нагревании до опреде­ ленной температуры теряет свою хрупкость). РІ, наоборот, нехруп­ кое вещество в нормальных условиях может стать хрупким при соответствующей комбинации этих факторов (например, карнал­ лит при увеличении скорости нагружения).

Высшей формой проявления хрупкого разрушения является дробление материала, которое может быть достигнуто посредст­ вом высокой скорости нагружения и разгружения или измене-

94

ния вида нагрузки пли характера деформации (изменения напря­ женного состояния).

В обоих случаях порода может мгновенно разрушаться на мелкие части с относительно высоким содержанием мелких зерен. На рис. 30 показано влияние скорости нагружения на характер деформации и разрушения. С увеличением скорости приложения:

разрушении в форме дробления, как правило, наблюдается также менее интенсивный характер разрушения — в форме растрески­ вания. Это происходит из-за неоднородности породы. Такой вы­ вод подтверждается тем, что критические условия нагружения были не во всех точках разрушенного объема породы.

Разрушение горных пород в виде дробления может быть вы­ звано не только повышением скорости приложения нагрузки (изменения напряжения), но и быстрым изменением напряжен­ ного состояния или комбинацией этих условий. В каждом случае, результат разрушения может быть одинаковым: интенсивное раз­ рушение породы с частичным измельчением ее в порошок.

Влияние изменения характера приложения нагрузки или деформации на возможность накопления энергии показано на рис. 31, на котором рассматривается схема монокристалла, состоя­ щего из двух положительных и двух отрицательных ионов. За­ штрихованные участки показывают количество потенциальной энергии, которую может накопить порода в границах упругости. Если характер приложения нагрузки или напряженное состояние изменится, например, от символа I (всесторонняя равномерная нагрузка) к символу V (внезапная разгрузка в направлении на-

95.

грузки), то возможность накопления потенциальной энергии на­ пряжения станет значительно меньше (отрицательная деформа­ ция). Это означает, что при переходе от символа I к символу V появляется избыток энер­ гии. При этом изменении (отрицательной деформа­ ции) одновременно умень­ шается прочность породы и освобождающаяся потенци­ альная энергия производит разрушение в виде дроб­

ления.

Пфорр применил теорию Квапила при исследовании удароопасности горных по­ род некоторых пластов ка­ лийных рудников ГДР [36]. При этом он учитывал ха­ рактер разрушения пород при горных ударах, наблю­ даемых на практике. Было установлено, что посред­ ством растрескивания раз­ рушаются такие породы,как сильвинит, каменная соль, хартзальц, а посредством дробления — различные ви­ ды карналлита. Пользуясь терминологией Квапила, можно сказать, что и при

карналлита в виде дробления.

Лабораторные условия для исследований были выбраны таким образом, чтобы разрушался карналлит [36]. На основании выше­ изложенной теории Квапила были выбраны два вида испытаний.

1.Испытания крупиокусковатого карналлита и каменной соли при внезапном изменении характера нагружения, а именно при внезапном разгружении предварительно всесторонней нагружен­ ной пробы, что соответствует приблизительно переходу от симво­ ла I к символу V (см. рис. 31).

2.Испытания на сжатие при различных скоростях нагружения;

единичный случай — испытание на удар свободно подающим грузом.

96

Влияние энергии излучения (например, повышение температу­ ры) не исследовалось, так как температура, представляющая ин­ терес для практики горного дела, находится в пределах 20—35° С. В данном' случае работы проводились при температуре, соответ­ ствующей температуре карналлитового пласта Тюрингеи.

При первом виде испытаний были созданы условия, когда об­ разец соляной породы помещался в стальной автоклав, причем создавалась всесторонняя равномерная нагрузка в 600 кгс/см2 на стальную оболочку. Внезапное изменение характера нагружения достигалось устранением стальной стенки автоклава. При данных условиях было получено мгновенное разрушение карналлита в виде дробления, в то время как каменная соль, сильвинит и хартзальц не разрушались. Следовательно, при данных условиях избыток энергии, возникающий при внезапном изменении напря­ женного состояния, оказался достаточным для дробления карнал­ лита и недостаточным не только для дробления, но даже для растрескивания других соляных пород.

Влияние скорости нагружения было исследовано в определен­ ных пределах и для карналлита было показано ранее (см. рис. 5).

Установлено, что в исследованных пределах скорость нагру­ жения оказывается достаточной для установления возможности разрушения посредством дробления песчаника, ангидрита и кар­ наллита. Чем больше окорость нагружения, тем интенсивнее ха­ рактер разрушения.

Испытания на удар были проведены с целью установления величины критической энергии падения, т. е. минимального коли­ чества энергии, при котором породы разрушались. Пробы пород были обработаны до цилиндрических пластинок диаметром 130 и 70 мм и толщиной 20 мм и запрессованы в стальные коль­

62,2 кгс-м.

Уменьшение величины критической энергии падения для ука­ занных пород находится в такой же последовательности, как и их прочность на сжатие.

Исследованиями Пфорра было также установлено, что из всех соляных пород карналлит, имеющий относительно низкую проч­ ность на сжатие, обладает самым большим приростом энергии при увеличении скорости нагружения и наибольшими абсолютны­ ми значениями освобождающейся энергии при разрушении.

Однако, как известно, выбросоопасной породой в калийных рудниках может быть не только карналлит, но и сильвинит и каменная соль. По-видимому, отличие свойств этих пород в вы­ бросоопасных участках от обычных, приводящее к их мгновен­ ному хрупкому разрушению, связано с повышенной газоно­ сностью этих участков.

Таким образом, все вышеизложенное дает основание считать,

что порода выбросоопасной зоны может быть разрушена при раз­ личных условиях: при превышении предела прочности на сжатие в момент взрывания, что согласуется с гипотезой Г. Д. Ефремо­ ва; при разгрузке за счет растягивающих (В. И. Миколин и дру­ гие) или касательных напряжений (Н. Е. Волошин и другие). Практически, по-виднмому, могут иметь место как те, так и дру­

гие условия.

Так, при отбойке горной массы взрыванием выбросоопасный участок попадает из условий всестороннего сжатия, характерного для нетронутого горными работами массива, в условия с высо­ кой скоростью нагружения (в момент взрыва). При этом данный участок массива находится на значительном расстоянии от по­ верхности. Известно, что в момент взрывания происходит мгновен­ ное перераспределение напряжений на вновь образованном кон­ туре выработки. При этом величина ударно прилагаемой нагруз­ ки, особенно в местах концентрации напряжений, может значительно превышать предел прочности породы на сжатие (в частности, замеренное Г. Д. Ефремовым значение напряжений для песчаника [10]). В таких условиях, как известно из данных по разрушению некоторых пород в условиях всестороннего сжа­ тия в камере Кармана, может также произойти хрупкое разру­ шение. Так, нами было установлено разрушение карналлита вы­ бросоопасной зоны на глубине 1—2 м от поверхности забоя.

При очередном взрывании выбросоопасный участок породы подвергается внезапному изменению напряженного состояния и характера деформации, в результате того что одна его поверх­ ность освобождается от подпора породы и получает возможность деформироваться в сторону выработанного пространства. Тогда за счет деформации упругого восстановления возникают растяги­ вающие напряжения, которые могут привести к разрушению поро­ ды в виде дробления. По-видимому, это характерно для пород, имеющих весьма небольшую прочность на разрыв (карналлит, некоторые угли). Большое количество мелких кусков при выбро­ сах карналлита и угля свидетельствует о разрушении от отрыва.

Образование пластин характерной выпукло-вогнутой формы при выбросах песчаника свидетельствует о том, что разрушение может произойти и вследствие сдвига под действием максималь­ ных касательных напряжений (Н. Е. Волошин и др.).

Характер разрушения карналлита при выбросах и трещинова­

В конкретных случаях при выбросах не всегда могут действо­ вать совершенно одинаковые комплексы причин. Этим, по-видимо­ му, объясняется многообразие взглядов на механизм и природу

98