ординат отложены удельная энергия ВВ q, коэффициент сближения скважин Лсбл, выход негабарита Вн, а по оси абсцисс акустический показатель трещиноватости А. Из графика видно, что между парамет рами EBP и акустическим показателем трещиноватости существует взаимосвязь.
Ц . ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬКАЗАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, ПРОЧНОСТИ, УПРУГИХ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВА
11.1.РАЗРУШЕНИЕ ПОРОД И ОХРАНА ВЫРАБОТОК
Воснове своей горное производство сводится к разрушению горных пород или сохранению их прочности (устойчивости или несущей спо собности) в целях охраны горных выработок, в которых периодиче ски или непрерывно находятся люди.
При разработке и расчете процессов разрушения преимуществен но прибегают к оценке разрушаемой среды интегральными — техно логическими показателями, близко отражающими как свойства, так
исостояние углей и пород в массиве в любом данном месте (сопро тивляемость резанию, буримость, взрываемость, дробимость и т.п.).
Встрогом аналитическом расчете процессов разрушения пород
вмассиве пришлось бы учесть не только их прочность и пластичность
вусловиях сложного напряженного и деформированного состояний, но и ряд таких существенных факторов, как газо- и влагонасьпценность, частость и скорость нагружения (от реологической до взрыв
ной), температура |
разрушаемой |
среды, энергоемкость процесса |
в функции степени |
разрушения, |
абразивность, изменчивость этих |
показателей по простиранию и падению залежи и ряд других, трудно учитываемых факторов.
При резании, бурении, взрывании, дроблении и других процессах разрушения происходит значительное изменение естественного на пряженного состояния пород в результате воздействия на них инстру ментами машин или взрывчатыми веществами, высоконапорными струями воды, электромагнитными полями. Учесть все факторы, характеризующие свойства и состояние среды до и после воздей ствия, в подавляющем большинстве случаев не представляется воз можным, и поэтому следует считать оправданными стандартизацию или нормализацию интегральных показателей среды, вводимых в
расчеты процессов разрушения.
Иное положение имеет место при охране горных выработок. В подавляющем большинстве случаев наблюдается количественное изменение свойств и,состояния пород массива в зоне ведения горных работ или ближней зоне обнажения долгостоящих основных и вспо могательных выработок. Качественное изменение этих особенностей среды наблюдается редко и, кроме того, принципиальным требовани-
ем охраны горных выработок от разрушения является недопущение возникновения предельного состояния пород и углей в массиве. Это достигается выбором способов охраны очистных и подготовительных выработок, характеристик крепей, созданием искусственных цели ков, закладкой выработанного пространства, анкерованием или укреплением пород всевозможными связующими и некоторыми ины ми способами разгрузки массива от напряженного или деформиро ванного состояния или упрочнением пород и углей в целях их лучшей сопротивляемости давлению вышележащих пород, газовому давле нию и имеющему место в некоторых случаях дополнительному на пряжению под влиянием тектонических нарушений.
В таких случаях оказываются целесообразными эксперименталь но-аналитические способы расчета параметров охраны горных выра боток с использованием лабораторных методов, моделирующих на турные условия поведения пород в тех или иных условиях, а также натурные измерения.
Любые способы расчета охраны горных выработок всегда связаны с необходимостью знать свойства горных пород при тех или иных видах и режимах нагружения. Такие расчеты обычно сводятся к расчету предельного состояния и установлению необходимого запаса, гарантирующего безопасность ведения горных работ в тех или иных условиях.
Под предельным состоянием для крепких и хрупких горных по род обычно понимается предел прочности, для пластичных — предел текучести, а для подверженных длительным нагрузкам —длительная прочность отрыва или сдвига.
В расчетах технологии горного производства важно знать при ка ком виде предельного состояния произойдет разрушение, так как горные породы всегда анизотропны, а характер их разрушения может быть как следствием отрыва, так и сдвига.
По Г.В. Ужику свойства материала при любом виде напряженного состояния характеризуются безразмерным отношением временного сопротивления сдвигу R T к сопротивлению отрыву R0, а состояние материала характеризуется также безразмерным отношением макси мального напряжения сдвига ттах к максимальному напряжению отрыва ах [40].
Если при данном виде напряженного состояния безразмерная характеристика свойств больше характеристики состояния мате риала, R T/Ra > ттах/а1, отрыв неизбежен.
Когда R T/R0 < т т / ° 1 * произойдет сдвиг.
Итак, при охране горных выработок предельное состояние масси ва является тем крайним состоянием, после которого наступает разрушение пород или углей под влиянием веса вышележащих пород, газового давления и тектонических напряжений, но без приложения извне дополнительных увеличивающих напряжение нагрузок. Разру шение при этом может протекать по разному: в виде образования от дельных трещин, магистральных трещин отжима, высыпания угля из зоны разрушения, ’’стреляния” с поверхности забоя, горного удара
или внезапного выброса значительного количества угля или породы и газа.
Все эти явления происходят в считанные секунды с реализацией накопленной в массиве потенциальной энергии и носят явно динами ческий характер.
11.2. ВЫЯВЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Для расчета параметров охраны горных выработок должна быть раз работана принципиальная схема расчета напряженного или деформи рованного состояния массива вблизи обнажения. Сравнение получен ных результатов с предельными (по прочности или устойчивости) позволит решить вопрос о приемлемости принятых способов охраны или необходимости проведения дополнительных мероприятий. Легче всего это проследить на примере охраны горной выработки (очистной или подготовительной), пройденной по угольному пласту.
Независимо от того, присутствует газ или отсутствует, только пре дельное состояние может быть ответственным за начало разрушения, однако в присутствии газа начало процесса наступает при меньшем напряженном состоянии массива, вызванном горным давлением и тектоническими напряжениями [41, 42].
Развитие внезапного выброса угля и газа отличается от горного удара тем, что в первом случае работа десорбированного газа и осо бенно газа, накопленного в коллекторах, приуроченных к геологиче ским нарушениям, значительно интенсифицирует развитие динамиче ского явления и эвакуацию разрушенного угля из зоны выброса. Прекращение выброса можно объяснить увеличением прочности угля в зоне непосредственно примыкающей к очагу выброса, снижением горного давления или давления газа, изменением Контактных усло вий выбросоопасной пачки угля, или совместным действием перечис ленных факторов, которые в конечном итоге приводят к деформаци ям или напряжениям меньше критических.
Горные удары возникают только под влиянием горного давления и тектонических напряжений. Развитие процесса, как и в случае вне запных выбросов, возможно только при преодолении предельного состояния массива, но в отсутствии газа.
С позиции теории упругости переход к предельным состояниям
(отрыву или разрушению от |
сдвига) обычно выражается посред |
ством наибольших напряжений |
и ттах. |
Весьма вероятно, однако, что для хрупких материалов, у которых сопротивление отрыву существенно меньше сопротивления сдвигу, в большем соответствии с результатами опытов должны оказаться' условия, Выражающие переход к предельному состоянию посред ством наибольших деформаций, а не напряжений*. Эта особенность
* Возможна разработка аналитической схемы для проверки вероятности воз никновения динамического явления под влиянием преодоления максимальны ми касательными напряжениями прочности массива на сдвиг.
хрупкого разрушения углей и положена в основу построения скелетной схемы описания динамических явлений в шахте.
В целях упрощения приняты следующие допущения:
месторождение пологого падения; уголь разрушается при отрыве хрупко, без
проявления пластических деформаций; процесс развития динамического явления
протекает настолько быстро, что реологиче ские проявления исключаются;
в глубине массива поперечные деформа ции ’’запрещены” ;
у обнаженной поверхности, в очаге дина мического явления, поперечная деформация ’’запрещена” в направлении, параллельном этой поверхности;
При всестороннем сжатии
C j ^ 0 j . ^ о 3 ; |
Е j ^ Е 2 = Е 3> |
= д 1 3 ; |
Рис. 11.1. Главные нор мальные напряжения
0р 02> аз на гранях
элемента горного мас сива и направление ab суммарной деформа ции элемента в сторо ну обнажения
^23 ^32»
где индексы 1, 2, 3 выражают оси главных напряжёний, соответствен но по нормали к пласту, параллельно обнажению и в сторону обнаже ния. При действии по оси 3 деформации растяжения
* 3 ^ - ^ 3 » ^ 1 3 ^ ^ 1 3 > ^ 2 3 ^ 23'
Как принято в общей теории упругости, деформации сжатия запи сываются со знаком минус.
Давление газа во всех направлениях одинаково и должно учиты ваться с учетом коэффициента пористости и нарушенности пласта. При наличии магистральных трещин, возникших под влиянием текто нических разрушений или отжима, значение коэффициента пористо сти и нарушенности в направлении обнажения принимается близким к единице.
Как деформирован уголь в глубине массива сказать трудно. Неко торые ученые полагают, что поперечные деформации в пласте ’’запре щены” и поэтому поперечное напряжение в пласте должно рассчиты ваться по теории упругости. Другие с такой точкой зрения не соглас ны и считают, что в нетронутом разработкой массиве действует гидро статическое давление, т.е. ах — аг - ог .
Полагая, что истинное значение напряжений может оказаться про межуточным, не соответствующим этим крайним точкам зрения, рассмотрим оба возможных варианта для газовых и негазовых шахт.
Пласт угля или породы негазовый. Если, например, в глубине мас
сива |
горное давление о, (см! рис. 11.1) и поперечные напряжения |
о2 = |
о3, то в направлении линии аЪ должна возникнуть суммарная |
деформация элемента
С учетом принятых допущений
°\ |
° 2 |
(И*1) |
£ |
^13 ~’ р |
|
ÜJ |
Д2 |
|
Таким образом, в отсутствии тектонических напряжений в глуби не массива
___ |
-^2^13 |
( 11.2) |
||
а, “ |
£ ,( 1 |
- ^ ) |
||
|
||||
Уравнение (11.2) при отсутствии тектонических напряжений вы ражает напряжение бокового распора (при пологом залегании), выра женное в долях от горного давления (уН = QJ ).
В отсутствии анизотропии продольной и поперечной упругости, когда Е х = Е2 (что в слоистых и трещиноватых углях маловероятно)
ах ~ х |
* |
Еще менее вероятно, что д 13 = д23. Но если было бы так, то
т.е. коэффициенту бокового распора по А.Н. Диннику.
В зоне возникновения горного удара, у обнаженной поверхности, а3 = 0, а деформация в направлении обнажения
а1 |
°2 |
еав = £ |
^?з + г ^23 ^ О* |
“ 1 |
Л2 |
Памятуя, что в направлении оси 2 деформации ’’запрещены” , в рас-
m сматриваемом случае -г— /и12 = -г-*. Тогда
еав |
г (^13 ^1 2 ^2 3 )' |
(11.3) |
Однако деформация еав может быть и меньше критической, тогда разрушение в результате отрыва не возникает. Обнажение пласта угля будет устойчивым. Горный удар, согласно принятой упрощенной схе ме, может начаться только при условии возникновения деформации растяжения в сторону обнажения, превышающей критическую
•кр |
о |
^12 М?з)- |
(11.4) |
£ , (/i 13 |