Файл: Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие].pdf

ны свыше 600 м. возникают следующие проблемы, требующие разрешения:

1) борьба с горным давлением, усиливающимся с глубиной разработки;

2)борьба с горными ударами;

3)проветривание и борьба с пылыо, приобретающие в усло­ виях глубоких рудников особое значение в связи с увеличением температуры горных пород до 40—65 градусов и значительным удлинением вентиляционных путей;

4) подъем полезного ископаемого и пустых пород из глубо­ ких шахт.

§ 8. Горные удары к меры борьбы е ними

Горные удары представляют собой одну из особых и наибо­ лее опасных форм проявления горного давления. При этом яв­ лении происходит хрупкое взрывоподобное разрушение горного массива в зоне предельно напряженного состояния. Проявление горных ударов обусловлено рядом горно-геологических факто­ ров, важнейшие из которых:

а) значительная глубина разработки и, следовательно, боль­ шой вес налегающей толщи пород;

б) напряжения, возникающие в горных породах в результа­ те тектонических нарушений в земной коре, имевших место в предшествовавшие геологические эпохи;

в) наличие мощных и крепких пластов пород, залегающих в почве и кровле полезного ископаемого;

г) способность пород аккумулировать упругую энергию.

По теории Г. Кванила, разрушение пород, возникающее при горном ударе, представляет собой, ио существу, разрушение дроблением. Это разрушение можно разделить на две основные группы:

а) разрушение дроблением при быстром нагружении; б) разрушение дроблением при изменении характера дефор

маций.

Изучение первой группы разрушений показало, что меха­ нические свойства породы зависят от способа и скорости на­ гружения. Чем быстрее идет процесс нагружения, тем меньше возможности для деформации.

Уменьшение деформаций вызывает временное увеличение прочности породы, повышает способность пород аккумулиро­ вать потенциальную энергию. Данный процесс продолжается до тех пор, пока не возникает несоответствие между накопленной

27

потенциальной энергией п отставанием деформаций. Поскольку в этом промежуточном положении не выполняется основной принцип равновесия, потенциальная энергия моментально пере­ ходит в работу и порода разрушается способом дробления. Та­ кое разрушение породы бывает при бурении и взрывных рабо тах.

Рассмотрим некоторый участок рудного тела или вмещаю­ щих пород, примыкающий к выработанному пространству, ко­ торый при определенных деформациях напряжен до предела упругости. Его быстрое нагружение динамическим усилием, вызванное влиянием сейсмической волны, которая может воз­ никнуть, например, в результате ведения вблизи этого участка взрывных работ, вызовет разрушение дроблением, т.е. горный удар.

Другая группа разрушения дроблением происходит при изменении характера деформаций.

Псе случаи деформации разделяются па две группы, в осно­ ву которых положена их способность аккумулировать потенци­ альную энергию: I ) деформации'позитивная и 2) деформация негативная.

Позитивная деформация характеризуется тем, что при даль­ нейшем увеличении напряжений повышается способность акку­ мулировать потенциальную энергию, т.е. когда возрастает на­ пряжение без изменения его характера, возрастает и деформа­ ция того же характера.

Негативная деформация определяется уменьшением способ пости аккумуляции потенциальной энергии при изменении ха­ рактера напряжений и деформаций (рис. 14).

Если сравнить деформации, изображенные на рис. 14а и рис. 146, то второй случай: имеет деформацию позитивную, при которой способность аккумуляции потенциальной энергии воз­ растает. Напряжение возросло без изменения его характера, возросла и деформации того же характера. Деформация, пока­ занная па рис. 14в, негативная, так как уменьшилась способ иость аккумуляции потенциальной энергии даже и том случае, если суммарная нагрузка возросла.

Если горцам порода напряжена до предела упругости и ха­ рактер деформации изменим в ней так, что позитивная дефор машгя переходит в негативную, то появляется избыточная по­ тенциальная энергия, так как негативная деформация не спо­ собна акккумулировать то количество энергии, которое аккуму­ лировалось при позитивной деформации.

28

Рис. 14. Деформация схематически вычерченных частиц породы (черными кружочками обозначь ны положительные ноны, белыми — отрицатель­ ные, заштрихованные частя — количество потен циальиой оперши при определенной деформа

Дни)

избыточная энергия вызывает горный уда]).

Массив пород, вскрываемый горными выработками, не нахо­ дится в покое, и возникшие при этом перемещения направлены на восстановление первоначального равновесии. Эти перемеще­ ния и являются причиной перехода позитивной деформации в негативную. До настоящего времени в СССР наибольшее число горных ударов произошло при разработке угольных месторожде­ ний па больших глубинах. По мере увеличения глубины разра­ ботки потенциальная опасность проявлений горных ударов бу­ дет возрастать и при разработке других полезных ископаемых. Так например, первые признаки горных ударов отмечены при проходке стволов Октябрьского рудника Норильского комбина­ та.

Горные удары подразделяют на четыре класса: стреляние, толчкн, микроудары' и собственно горные удары. Стреляние про­ является в виде отскакивания отдельных кусков руды (угля) или породы от сильно напряженных бортов, толчки — в виде разрушения пород в глубине массива—сопровождаются сотрясе­ нием, но без выброса пород, осыпанием, иногда воздушной пол­ ной. Микроудары проявляются в виде разрушения и незначи­ тельного выброса руды (угля), породы в выработке. Собственно горные удары представляют собой взрывоподобпос разрушение руды (угля), пород. Сотрясение массива горных пород при гор­

29

—разгрузка массива от напряжений с помощью взрывов опе­ режающих скважин (при отсутствии людей в подземных выра­ ботках) ;

—частичное разрушение породы (оно высвобождает анергию упругой деформации и переносит зону опорного давления в глубь массива, то ость дальше от плоскости забоя);

—выбор круглой формы поперечного сечения горизонталь­ ных и подготовительных выработок;

—применение металлического податливого крепления с за бутовкой песком или мелкой породой. Закладка очистного про­ странства твердеющей закладкой;

—снижение горного давления путем планомерного ведения очистных работ широким фронтом с общим развитием в направ­ лении от выработанных пространств к массиву руды с мини­ мальным числом выработок в массиве руды, размещением выра­ боток в закладочном массиве;в тех же целях снижения давле­ ния не следует оставлять целики, псобходио применять опере­ жающую разработку защитных рудных тел или создавать ис­ кусственные полости в массиве горных пород.

Защита людей и выработок от последствий горных ударов производится путем проходки специальных разгрузочных ще­ лей, применения предохранительных щитов, отказа от исполь­ зования опасных по горным ударам выработок.

30

Г л а 1) а II

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1 . Подразделение горных пород

Породы, слагающие земную кору, состоят из одного или не­ скольких .минеральных компонентов. Минеральные частицы (об­ ломки, зерна, кристаллы), из которых состоит порода, могут быть связаны между собой молекулярными силами сцепления, минеральным цементом или могут находиться в простом сопри кослоисшш без существенных сил связи.

В зависимости от величины и физической природы сил свя зи в механике грунтов породы разделяются на твердые, связан­ ные (глинистые) и сыпучие. Сыпучие породы при определен ных очень малых размерах частиц и насыщении их водой при­ обретают свойство плывучести и называются плывучими, или плывунами.

Для скальных горны:, пород (изверженных, метаморфиче­ ских и сцементированных осадочных) характерно Наличие жестких структурных связен. Механические свойства группы твердых пород подобны свойствам таких тел как сталь, чугун. На мгновенно приложенные нагрузки эти породы реагируют как упругие или хрупкие тела. У связанных (глинистых) пород, связь между минеральными частицами обеспечивается посред­ ством тончайших пленок воды, обволакивающей эти частицы, при этом нередко наблюдается слабая цементация. При нагру­ жении иороды этой группы ведут себя часто как пластические

31

тела, когда деформации развиваются длительное время после приложения нагрузки и являются необратимыми.

Для сыпучих пород характерно отсутствие связен между зернами и обломками или же связи эти ничтожно малы. Дефор­ мация сжатия в этих породах связана с взаимным перемещени­ ем соприкасающихся частиц и носит необратимый характер. Механические свойства определяются тройном на поверхностях соприкосновения частиц.

В состав каждой Из трех больших групп входят горные по­ роды, различающиеся нередко весьма значительно по своим фи­ зическим свойствам п механическим характеристикам. Это объ­ ясняется тем, что в группах объединяются породы разного про­ исхождения, химического и минералогического состава и нстро графического строения.

§ 2. Плотностные свойства горных пород

Массив пород по своему строению нс является однородным. Породы, слагающие массив, пе являются сплошными, а включа­ ют поры и трещины, кливаж и различным образом ориентиро­ ванные поверхности отдельностей. Ввиду наличия пор и тре юте объемный вес породы всегда меньше ее удельного веса.

Удельный вес определяется по формуле

где G — вес образца породы;

V — полный объем образца породы;

V,— объем образца породы за пычотом пор и пустот.

Степень заполнения минеральным веществом данного объе­ ма породы называется ее плотностью. Плотность породы опре­ деляется по формуле

Пористость породы определяется как отношение объема нор и пустот внутри образца к его полному объему

32

Пористость горных пород изменяется в широких пределах. Для более плотных изверженных пород она составляет сотые доли процента, а пески имеют пористость до 50 %.

Разрыхляемость горных пород. Разрыхляемость — свойство горной породы увеличивать свой объем при отделении от мас­ сива. Степень разрыхляемости оценивается коэффициентом разрыхляемое™ КР, равным отношению объема добытой породы Vp к объему ее в массиве VM, т.е.

V»

- — V— ' (7.2) Vм

Величина коэффициента разрыхляемое™ зависит от проч­ ности породы, ее строения, сложения и от способа добывания. Разрыхленная порода в результате усадки, которая ускоряется при наличии воды, с течением времени уплотняется. Уплотне­ ние может быть достигнуто и искусственным путем за счет трамбования разрыхленной породы. В результате уплотнения объем разрыхленной породы уменьшается.

Усадку породы в результате уплотнения оценивают коэффи­ циентом усадки (уплотнения)

где 1 — коэффициент усадки;

Vp—объем разрыхляемой породы до уплотнения; Vvp— то же после уплотнения.

Однако первоначальный объем .можно получить только для сыпучих или рыхлых пород. Остальные породы после уплотне­ ния будут иметь остаточную разрыхляемость. Коэффициент разрыхляемое™ для некоторых пород приведен в табл. 2.

.43