Лекция 4. Горные удары
План лекции
4.1 Общие сведения
4.2 Классификация динамических проявлений горного давления
4.3 Условия возникновения динамических проявлений горного давления и представления об их механизме
4.4 Прогноз удароопасности участков массива горных пород
4.1 Общие сведения
Горные удары относятся к наиболее опасным динамическим проявлениям горного давления. Они возникают в результате внезапного разрушения напряжённого участка массива и сопровождаются резким высвобождением накопленной энергии. В отличие от обычного постепенного деформирования пород, горный удар развивается быстро, часто неожиданно и может приводить к разрушению выработок, повреждению крепи, выбросу породных масс в выработанное пространство, нарушению вентиляции и созданию непосредственной угрозы для работников.
Главная особенность горного удара заключается в его динамическом характере. Если при обычных проявлениях горного давления деформации развиваются постепенно, то при ударе массив теряет устойчивость скачкообразно. При этом энергия, накопленная в породах в процессе естественного и техногенного нагружения, освобождается в короткий промежуток времени. Поэтому последствия горных ударов могут быть значительно тяжелее, чем при обычных обрушениях или медленных смещениях пород.
Горные удары наиболее характерны для крепких, упругих и хрупких пород, способных накапливать значительную потенциальную энергию без заметного предварительного разрушения. Однако сам по себе высокий показатель прочности породы ещё не означает обязательного возникновения удара. Для развития такого явления необходимо сочетание нескольких факторов: напряжённого состояния массива, способности пород к хрупкому разрушению, неблагоприятной структуры массива, влияния горных работ и наличия участка, где может произойти концентрация напряжений.
В подземных условиях горные удары чаще всего связаны с перераспределением напряжений при проведении выработок, выемке полезного ископаемого, оставлении целиков, сближении очистных и подготовительных работ, а также при разработке на больших глубинах. В таких условиях отдельные участки массива могут переходить в предельно напряжённое состояние. Если несущая способность этих участков оказывается исчерпанной, происходит внезапное разрушение.
Для практики горного дела важны не только сами горные удары, но и их предвестники. К ним могут относиться усиление треска пород, шелушение стенок выработки, локальные отстрелы кусков породы, резкое изменение состояния крепи, появление новых трещин, повышение сейсмоакустической активности и другие признаки. Однако сложность проблемы состоит в том, что не всегда предвестники проявляются явно. Поэтому для оценки опасности необходимы систематические наблюдения и применение специальных методов прогноза.
Горные удары следует рассматривать как результат взаимодействия природных и техногенных факторов. Природные факторы определяют исходную способность массива накапливать энергию и сопротивляться разрушению. Техногенные факторы формируют новые условия нагружения, изменяют напряжённое состояние и могут переводить массив в опасное состояние. Поэтому борьба с горными ударами должна включать не только контроль состояния пород, но и правильное проектирование системы разработки, параметров выработок, порядка выемки и способов разгрузки массива.
Таким образом, горный удар представляет собой сложное геомеханическое явление, связанное с внезапной потерей устойчивости напряжённого массива. Его изучение имеет принципиальное значение для безопасного ведения подземных горных работ.
4.2 Классификация динамических проявлений горного давления
Динамические проявления горного давления различаются по масштабу, интенсивности, механизму развития и последствиям для выработки. Их классификация необходима для правильной оценки опасности, выбора методов прогноза и назначения профилактических мероприятий.
К наиболее распространённым динамическим проявлениям относятся горные удары, толчки, микроудары, стреляние пород, внезапные вывалы, динамические обрушения, а также техногенные сейсмические события, связанные с разрушением массива. Эти явления имеют общую природу, поскольку связаны с перераспределением напряжений и высвобождением энергии, но отличаются степенью опасности и характером проявления.
Горный удар является наиболее опасной формой динамического проявления горного давления. Он сопровождается внезапным разрушением участка массива и выбросом породы или угля в выработку. При этом возможно повреждение крепи, оборудования, коммуникаций и нарушение нормального режима работы участка. Горный удар всегда рассматривается как аварийно опасное явление, требующее специального прогноза и профилактики.
Толчок представляет собой динамическое сотрясение массива, которое может ощущаться в выработке, но не всегда сопровождается значительным разрушением пород. Толчки могут быть локальными или распространяться на значительную часть горного поля. В некоторых случаях они являются самостоятельным проявлением горного давления, в других — предвестником более опасного события.
Микроудары и слабые динамические проявления характеризуются локальным разрушением небольших участков приконтурного массива. Они могут проявляться в виде отстрела отдельных кусков породы, шелушения, треска, образования свежих трещин и небольших заколов. Несмотря на меньший масштаб, такие проявления нельзя игнорировать, поскольку они могут указывать на накопление напряжений и развитие опасного состояния.
Стреляние пород проявляется в виде внезапного отделения и выброса небольших фрагментов с поверхности обнажения. Обычно это связано с локальной концентрацией напряжений в приконтурной зоне. Такое явление особенно характерно для крепких и хрупких пород. Визуально оно может восприниматься как незначительное, но в геомеханическом отношении является важным признаком повышенной напряжённости массива.
Динамические обрушения отличаются тем, что разрушение пород происходит не плавно, а внезапно, с заметным выделением энергии. Они могут быть связаны с потерей устойчивости кровли, разрушением целиков, нарушением равновесия породных блоков или развитием ранее скрытых трещин. В отличие от обычных обрушений, динамические обрушения имеют более резкий характер и могут сопровождаться сейсмическим эффектом.
Техногенные сейсмические события возникают в результате разрушения массива под влиянием горных работ. Они могут фиксироваться специальными системами наблюдения и использоваться для анализа состояния массива. Наличие таких событий не всегда означает непосредственную угрозу горного удара, но при определённых условиях их активизация может свидетельствовать о росте удароопасности.
По характеру воздействия на выработку динамические проявления можно условно разделить на слабые, умеренные и опасные. Слабые проявления чаще ограничиваются локальными признаками разрушения. Умеренные могут вызывать повреждение отдельных элементов крепи или образование локальных вывалов. Опасные приводят к значительному разрушению выработки, нарушению технологического процесса и угрозе безопасности людей.
Таким образом, классификация динамических проявлений горного давления позволяет различать степень опасности происходящих процессов и своевременно выбирать необходимые меры контроля и профилактики.
4.3 Условия возникновения динамических проявлений горного давления и представления об их механизме
Возникновение горных ударов и других динамических проявлений связано с накоплением и внезапным высвобождением энергии в массиве. Для развития такого процесса необходимы определённые условия. Главное из них — наличие участка массива, находящегося в высоком напряжённом состоянии и способного разрушаться хрупко, без длительного предварительного пластического деформирования.
Первым важным условием является высокий уровень природных и техногенных напряжений. Природные напряжения формируются под действием веса вышележащих пород и тектонических процессов. Техногенные напряжения возникают вследствие проведения выработок, выемки полезного ископаемого, оставления целиков, изменения конфигурации горных работ и перераспределения нагрузок. Когда эти напряжения концентрируются в отдельных участках массива, создаются предпосылки для динамического разрушения.
Вторым условием является способность пород накапливать упругую энергию. Крепкие, плотные и хрупкие породы могут длительное время сопротивляться разрушению, сохраняя значительную часть энергии в упругой форме. При достижении предельного состояния такая энергия высвобождается резко, что и приводит к ударному характеру разрушения.
Третьим условием является наличие геометрических и структурных факторов, способствующих концентрации напряжений. К таким факторам относятся острые углы выработок, пересечения горных выработок, целики, зоны краевого давления, контакты пород различной жесткости, тектонические нарушения, резкие изменения мощности пласта и участки сложного геологического строения. В этих местах массив работает неравномерно, а напряжения могут сосредоточиваться в ограниченных зонах.
Четвёртым условием является влияние горных работ. Порядок отработки, скорость подвигания очистного забоя, схема расположения подготовительных выработок, способ управления кровлей и параметры оставляемых целиков могут как снижать, так и усиливать удароопасность. Неправильная схема разработки может привести к накоплению напряжений в отдельных участках массива и создать условия для внезапного разрушения.
Механизм горного удара можно представить как последовательность взаимосвязанных процессов. Сначала в массиве происходит накопление напряжений. Затем в наиболее нагруженных участках начинают развиваться микроповреждения. На определённой стадии эти повреждения объединяются, и участок массива теряет способность устойчиво воспринимать нагрузку. После этого происходит резкое разрушение с высвобождением энергии и динамическим воздействием на окружающие породы и выработку.
Важную роль играет соотношение между накопленной энергией и способностью массива рассеивать эту энергию. Если породы и крепь способны постепенно воспринимать и перераспределять нагрузку, разрушение может развиваться менее опасно. Если же энергия высвобождается быстрее, чем система способна её погасить, возникает ударное проявление.
На развитие динамических явлений влияет также трещиноватость. С одной стороны, трещины могут ослаблять массив и снижать его способность накапливать энергию. С другой стороны, отдельные закрытые трещины и блоковое строение могут создавать условия для внезапного смещения породных блоков. Поэтому влияние трещиноватости неоднозначно и должно оцениваться с учётом её ориентации, раскрытия, заполнения и связи с напряжённым состоянием.
В угольных шахтах динамические проявления горного давления могут сочетаться с газодинамическими процессами. Если разрушение угля или пород сопровождается интенсивным выделением газа, опасность явления возрастает. Поэтому при оценке удароопасности необходимо учитывать не только механическое состояние массива, но и газоносность, проницаемость и условия дегазации.
Таким образом, горный удар возникает не из-за одного фактора, а в результате сложного сочетания напряжённого состояния, свойств пород, структуры массива и технологии ведения работ. Именно поэтому надежная профилактика возможна только при комплексном анализе всех условий.
4.4 Прогноз удароопасности участков массива горных пород
Прогноз удароопасности направлен на выявление участков массива, где возможно возникновение горного удара или другого опасного динамического проявления горного давления. Его основная задача — своевременно определить опасное состояние массива и принять меры до возникновения аварийной ситуации.
Прогноз удароопасности должен быть системным. Нельзя ограничиваться только визуальным осмотром или единичным измерением. Удароопасное состояние формируется постепенно, поэтому необходим постоянный контроль геологических, геомеханических, технологических и инструментальных признаков.
На первом этапе выполняется геолого-геомеханическая оценка массива. Анализируются прочность и хрупкость пород, слоистость, трещиноватость, наличие тектонических нарушений, контакты пород различной жесткости, глубина разработки, форма и размеры выработок, а также положение участка относительно очистных работ и зон повышенного давления. Такая оценка позволяет выделить потенциально опасные зоны ещё на стадии проектирования или планирования горных работ.
На втором этапе проводится текущий контроль состояния выработок. Визуальные признаки могут включать треск пород, стреляние, шелушение, появление свежих трещин, локальные вывалы, деформацию крепи, изменение состояния кровли, боков и почвы. Эти признаки особенно важны, если они появляются внезапно или усиливаются во времени.
На третьем этапе применяются инструментальные методы прогноза. К ним относятся сейсмоакустические наблюдения, контроль микросейсмической активности, измерение деформаций, наблюдение за раскрытием трещин, оценка напряжённого состояния массива и контроль состояния крепи. Инструментальные методы позволяют фиксировать скрытые процессы, которые ещё не проявляются визуально, но уже указывают на изменение состояния массива.
Сейсмоакустические методы имеют особое значение при прогнозе динамических проявлений. Развитие микротрещин и локальных разрушений сопровождается упругими импульсами. Регистрация таких сигналов позволяет оценивать активность массива и выявлять участки, где процессы разрушения усиливаются. При правильной интерпретации эти данные могут служить важным индикатором роста удароопасности.
Для прогноза также применяются методы разгрузочного контроля. Их задача заключается в оценке того, насколько напряжённым является участок массива и как он реагирует на искусственное воздействие. Если массив находится в опасном состоянии, даже небольшое вмешательство может вызывать выраженную реакцию. Такие методы требуют строгого соблюдения правил безопасности и должны выполняться только по утверждённой методике.
Особое место занимает прогноз на основе анализа горнотехнической ситуации. Удароопасность часто возрастает в зонах краевого давления, вблизи целиков, у сопряжений выработок, в районах тектонических нарушений, при сближении фронтов работ и в местах резкого изменения условий залегания. Поэтому инженер должен оценивать не только локальное состояние конкретной выработки, но и общую схему ведения горных работ.
Прогноз удароопасности может быть предварительным, текущим и оперативным. Предварительный прогноз выполняется до начала работ и позволяет определить потенциально опасные зоны. Текущий прогноз проводится в процессе эксплуатации выработок и учитывает фактическое состояние массива. Оперативный прогноз применяется при появлении опасных признаков и необходим для принятия немедленных решений.
Результатом прогноза является отнесение участка массива к определённой категории опасности и назначение профилактических мероприятий. К таким мероприятиям относятся разгрузочное бурение, изменение порядка ведения работ, усиление крепи, ограничение пребывания людей в опасной зоне, снижение концентрации напряжений, предварительное ослабление массива и организация постоянного мониторинга.
Важно понимать, что прогноз удароопасности не может быть абсолютно точным. Горный массив является сложной природной системой, а развитие динамического разрушения зависит от многих взаимосвязанных факторов. Поэтому задача прогноза состоит не в гарантированном предсказании момента удара, а в своевременном выявлении опасных тенденций и снижении риска.
Таким образом, надежный прогноз удароопасности возможен только при сочетании геологического анализа, шахтных наблюдений, инструментального контроля и правильной оценки горнотехнической ситуации. Чем раньше выявлены признаки опасного состояния массива, тем выше вероятность предотвращения аварийного динамического проявления горного давления.
Список использованной литературы
1. Протодьяконов М.М. О рациональной классификации горных пород // В кн.: Исследование физико-механических свойств и взрывного разрушения горных пород. - М.: Наука, 1970.
2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1964.
3. Турчанинов И.А., Медведев Р.В., Панин В.И. Современные методы комплексного определения физических свойств горных пород. - М.: Недра, 1967.
4. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Госгортехиздат, 1962.
5. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1970. – 164 с.