Прогноз удароопасности породного массива

Склонность пород к хрупкому (динамическому) разрушению устанавливается по соотношению модуля упругости Е и модуля спада М. Коэффициент удароопасности, К_у) характеризует запредельные деформации разрушающейся породы (рис. 6.10). Склонными к горным ударам считаются породы, у которых модуль спада превышает модуль упругости.

где Е – модуль упругости породы, МПа;

М – модуль спада, МПа;

ε _у – упругая часть деформации, мм;

ε _п – полная деформация, мм.

Рис. 6.10. Соотношение модуля упругости Е и модуля спада М на стадиях упругого и запредельного деформирования на полной диаграмме деформирования породы.

Способность горных пород хрупко разрушаться устанавливают путем испытания образцов на специальных прессах. В результате получают полную диаграмму деформирования горных пород не только на упругой стадии до разрушения, но и за пределом прочности в ходе разрушения образца.

Потенциальная удароопасность пород устанавливается по наклонам диаграммы на упругой и запредельной стадиях. Если запредельная ветвь полной диаграммы деформирования круче, чем упругая, то есть М/Е ≥ 1, то такую породу признают склонной к горным ударам. На рис. 6.10 запредельная ветвь полной диаграммы деформирования положе, чем на упругой стадии (Е/М < 1), следовательно, испытанная порода не является склонной к горным ударам. Таким образом, породы относятся к удароопасным если К_у1 < 1, 0 и К_у2 ≥ 0, 7.

Уровень действующих напряжений в элементах горных конструкций определяется исходным напряженным состоянием массива, параметрами и порядком ведения горных работ.

К удароопасным относят месторождения, на которых прослеживались микроудары и горные удары. Глубина, с которой на месторождении возникают горные удары, называется критической. В табл. 6.2 приведены примеры месторождений, на которых происходили горные удары.

Таблица 6.2

Рудные месторождения СНГ, склонные к горным ударам

Как видно из табл. 6.2, проявления горного давления в динамической форме на рудниках возникают на глубинах от 160 до 1000 и более метров. Как отмечается рядом авторов [Д.М. Бронников, 1982], понятие «большие глубины», «глубокие рудники» определяется не столько глубиной разработок, сколько геомеханическими условиями, в которых наблюдаются переход пород и руд в предельно напряженное состояние и хрупкое их деформирование. При этом «возникают динамические явления вокруг одиночных выработок вблизи очистных забоев» [Д.М. Бронников, 1982].

По степени удароопасности участки рудного и породного массива, примыкающие к выработкам, подразделяются на две категории:

I – опасные по проявлению горных ударов; выработки на данных участках должны быть приведены в неудароопасное состояние с применением мер предосторожности, обеспечивающих безопасность людей, занятых на этих работах;

II – непредставляющие опасности проявления горного давления в динамической форме.

К I-ой категории удароопасности относятся участки массива, в которых наблюдались случаи горных ударов, микроударов, стреляния, интенсивного заколообразования и шелушения пород.

Визуальная оценка степени удароопасности в выработках, в пределах зон влияния опорного давления подготовительных и очистных работ, производится через каждые 10 м подвигания забоя, а также при подходе выработок к геологическим нарушениям.

Инструментальная оценка выполняется следующими методами:

· регистрация параметров дискования керна при бурении скважин;

· измерение абсолютных величин напряжений и их приращений во времени (метод разгрузки различных модификаций);

· регистрация акустической эмиссии горных пород сейсмоакустической аппаратурой.

Степень удароопасности должна оцениваться не менее, чем двумя методами: визуальным и одним из инструментальных.

Отечественный и зарубежный опыт отработки удароопасных месторождений показал, что склонность пород к накоплению упругой потенциальной энергии, способность к хрупкому разрушению, а также превышение уровня действующих напряжений предела прочности пород надежно определяется по эффекту деления керна породы на выпукло-вогнутые диски при бурении скважин кольцевыми коронками (рис. 6.11).

Информация, получаемая по дискованию керна, является комплексной характеристикой состояния массива. Она отражает прочностные свойства руды, степень ее хрупкости и величину напряжений, действующих в массиве. Свойство разрушения керна на диски определяет склонность пород к хрупкому разрушению, а толщина дисков – уровень напряженности массива.

Рис. 6.11. Дискование керна.

Толщина дисков (t), на которые разрушается керн диаметром (d), зависит от величины напряжений (s), действующих в массиве по нормали к оси скважины, и диаметра керна. Чем больше действующие напряжения, тем интенсивнее процесс образования дисков, и меньше их толщина. При равных напряжениях толщина дисков больше у керна большего диаметра.

Величину действующих в массиве напряжений (s) определяют в долях от прочности породы на одноосное сжатие (s _сж) по соотношению толщины дисков к диаметру керна t / d по диаграмме, представленной на рис. 6.12. Эта характеристика является универсальной для всех типов пород, склонных к горным ударам.

Рис. 6.12. Диаграмма для определения максимальных напряжений, действующих в массиве, по дискованию керна.

Прогноз удароопасности массива вокруг выработки выполняется, исходя из величины действующих максимальных напряжений s _max и расстояния х _max от обнажения до точки, где действующие напряжения достигают своего максимума. Положение в массиве точки с максимальными действующими напряжениями s _max определяется по глубине х _max, на которой наблюдается минимальная толщина дисков керна t _min (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Определение глубины расположения максимальных действующих напряжений от контура выработки по дискованию керна. 1 – защитная зона нарушенных пород вблизи контура выработки, где нет дискования керна; 2 – интервал, где наблюдается дискование керна; 3 – контрольная скважина.

Категория удароопасности устанавливается по рис. 6.14 в следующем порядке. По минимальной толщине дисков (t _min) устанавливают глубину (х _max), на которой в массиве действуют максимальные напряжения (s _max). По минимальной толщине дисков, отнесенной к диаметру керна (t _min/ d), с помощью диаграммы на рис. 6.12, находят максимальную величину относительных напряжений (s _max/ s _сж), действующих в массиве вблизи контура выработки. По величине параметров х _max / h (где h – высота выработки) и s _max/ s _сж на диаграмму, показанную на рис. 6.14, наносят точку. Найденная точка может оказаться выше или ниже кривой, являющейся критерием удароопасности. Если найденная точка оказалась выше кривой на рис. 6.14, то массиву присваивается категория «опасный по горным ударам». В случаях, когда найденная точка лежит в области ниже кривой, то горные породы – не опасны по горным ударам.

Рис. 6.14. Критерий удароопасности.