Тема 13. Лекція 16. Динамічні явища в масивах порід під впливом розробки Гірські удари

Поряд із статичними формами проявів гірського тиску, у маси-вах гірських порід можуть відбуватися динамічні, раптові руйнува-ння ділянок, що знаходяться у визначених умовах напруженого ста-ну при великих діючих напруженнях. У природній геологічній обстановці до подібних динамічних явищ у земній корі відносяться землетруси. При виконанні ж гірських робіт такими є гірські удари і раптові викиди газу і порід.

Гірський удар являє собою явище крихкого руйнування гранич-но напруженої ділянки масиву (крайньої частини біля виробки або цілика), при якому відбуваються інтенсивне дроблення і викид породи чи розроблювальної корисної копалини у виробку, поруше-ння кріплення, зсув, що спричинює в ряді випадків пошкодження видобувних машин і устаткування. Удар супроводжується сейсмік-ними коливаннями в навколишньому масиві, різким звуком, повіт-ряною хвилею і утворенням пилу.

Як правило, гірському удару передує посилення тиску на кріпле-ння і цілики, а після удару підсилюється гірський тиск на суміжних ділянках. У ряді випадків перед гірським ударом відбувається спу-чування ґрунту і видавлювання порід у виробку.

Перші відомості про гірські удари, що відбулися на олов'яних рудниках Англії, відносяться до 1738 р. У другій половині XIX ст. гірські удари стали відбуватися при розробці вугільних родовищ у країнах Західної Європи.

Гірські удари є найбільш небезпечним проявом гірського тиску, що вносять серйозні порушення виробничого процесу, а в деяких випадках приводять до катастрофічного виходу з ладу не тільки великих видобувних ділянок, але і цілих шахт та рудників та до трагічної загибелі багатьох людей. Тому вивчення причин, умов і механізму гірських ударів та розробка ефективних способів їх прогнозування і мір їхнього попередження і локалізації є найважли-вішою задачею механіки гірських порід, актуальність якої увесь час підвищується у зв'язку з ростом глибин розробки корисних копа-лин.

Класифікація гірських ударів

Запропоновано декілька класифікацій гірських ударів, основаних на різних ознаках. Найбільший інтерес представляють три класиці-кації.

Одна з них передбачає поділ гірських ударів за фізичною озна-кою. За цією ознакою гірські удари поділяють на три типи. Удари першого типу називають ударами тиску. При таких ударах цілики корисної копалини або породи вибухають подібно тому, як це відбувається при вибухоподібному руйнуванні під пресом міцного зразка породи при навантаженні, яке перевищує межу міцності даної породи.

Удари другого типу називають шоковими гірськими ударами. Їхньою причиною є раптове прикладення навантаження.

Шокові удари можливі у випадку, якщо над корисними копали-нами залягають потужні міцні покриваючі породи. Спочатку вони консольно зависають над ціликом, навантажуючи і защімлюючи його. При досягненні ж певного прольоту відбувається злам і обвалення завислих порід, і при цьому виникає хвиля тиску, яка викликає миттєве руйнування гранично напруженого цілика.

Удари третього типи – удари ламання. Причиною таких ударів є наявність у товщі вище безпосередньої крівлі чи нижче безносе-реднього ґрунту прошарку пластичної породи, наприклад прошарку глини, вкладеного між твердими породними шарами. У відповідних умовах цей прошарок видавлюється у бік виробки і ламає твердий шар крівлі (чи ґрунту) виробки у формі гірського удару.

Інша класифікація дозволяє виділяти різні класи гірських ударів за енергетичною ознакою – кількістю сейсмічної енергії, що виді-ляється при ударі, – і відповідно за ступенем і обсягом руйнування при цьому корисної копалини і порід, кріплення, устаткування. За енергетичною ознакою доцільно розрізняти п'ять класів гірських ударів: мікроудари, відносячи до них стріляння гірських порід і поштовхи, слабкі, середні, сильні і катастрофічні удари. У табл. 1 приведені дані про сейсмічну енергію ударів кожного класу і їхню сейсмічність в епіцентрі.

Стріляння гірських порід являє собою крихке руйнування порід на поверхні гірської виробки, що проявляється у відскакуванні окремих шматків породи від забою, крівлі, чи ґрунту стінки вироб-ки, від стінки цілика і супроводжується звуковим ефектом, подіб-ним до пострілу.

Таблиця 1

Енергетичні характеристики ударів різних класів

Класи гірського удару	Сейсмічна енергія, Дж	Рівень сейсмічності в епіцентрі, бал
Мікроудари (стріляння, поштовхи)	<10	<1
Слабкі	10…102	1…2
Середні	102..104	2…3,5
Сильні	104…107	3,5…5
Катастрофічні	>107	>5

Поштовх – це локальне руйнування корисної копалини чи поро-ди в глибині масиву без подрібнення і викиду. Поштовхи звичайно супроводжуються звуком, невеликим струсом масиву, а при достат-ній їхній силі також повітряною хвилею. Якщо поштовх відбу-вається у процесі дії робочого органу гірської машини, наприклад бара врубової машини чи долота бурового верстата, то він відчу-вається саме як поштовх на інструмент.

Таким чином, у класі мікроударів стріляння є поверхневим локальним руйнуванням, а поштовх – локальним руйнуванням у глибині масиву, при близьких значеннях енергетичних параметрів.

Слабкий гірський удар – це локальне руйнування і незначний викид корисної копалини у виробку з відчутним звуковим і сейсмік-ним ефектом, можливим утворенням пилу, але без суттєвого пору-шення кріплення та без пошкодження машин та обладнання.

Середній гірський удар спричиняє швидке крихке руйнування і викид чи видавлювання у виробку вже значного об’єму корисної копалини чи породи з великою кількістю пилу, утворення повіт-ряної хвилі, порушення кріплення і завал виробок на ділянці довжи-ною до декількох метрів, зсув і пошкодження машин і обладнання.

Сильний гірський удар приводить до порушень кріплень і до завалів виробок з пошкодженням машин і обладнання на ділянці довжиною до декількох десятків метрів, що вимагає великих об’є-мів відновлювальних робіт.

При катастрофічних гірських ударах відбувається спонтанне, у формі ланцюгової реакції, руйнування ряду ціликів, завал виробок у межах цілої ділянки чи горизонту рудника або шахти. Площа гірсь-ких виробок, що руйнуються при такому ударі, іноді досягає ба-гатьох сотень тисяч квадратних метрів.

У третій класифікації види гірських ударів розрізняють за топологічною ознакою – місцем прояву ударів, що характеризує умови навантаження рудного тіла, шару чи порід за рахунок ефекту тиску опору. Тут розрізняють удари в ціликах, у крайніх частинах масиву, у виробках, пройдених по корисній копалині і у польових виробках.

Аналізуючи випадки гірських ударів у конкретних умовах родо-вища, району чи басейну, встановлюють фізичний тип, енергетик-ний клас і топологічний вид ударів, що спостерігалися, і намічають комплекс заходів для їх попередження, запобігання чи локалізації.