В. И. Николин С. В. Подкопаев О. Г. Худолей



страница1/12
Дата17.07.2016
Размер2.6 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
В.И.Николин

С.В.Подкопаев

О.Г.Худолей

Н.В.Малеев


ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ГЛУБОКИХ ШАХТАХ

Под общей редакцией

Лауреата Государственной премии Украины в области науки и техники, лауреат премии им.акад.А.А.Скочинского

доктора технических наук, профессора

Николина В.И.
УДК 622.831.1

ББК 33.14

Н 63
Рецензенты:

докт. техн. наук, проф. В.К. Костенко, ДонНТУ

докт. геолого-минералог. наук, проф. В.В. Лукинов, ИГТМ НАН Украины;

докт. техн. наук, проф. Г.П. Стариков, ИФГП НАН Украины


Николин В.И., Подкопаев С.В., Худолей О.Г., Малеев Н.В.

Н 63 Геомеханические закономерности проявлений горного давления в глубоких шахтах / И.И.Николин, С.В.Подкопаев, О.Г.Худолей, Н.В.Малеев. – Донецк: _______________, 2011. - 000 с.
Уточнены основные понятия о газодинамических и динамических проявлениях горного давления на больших глубинах.

Предложены и описаны научно-технические низкозатратные решения, основанные на новой теории прочности (разрушения) углепородного горнорудного массива на больших глубинах при разгрузке.

Определена новая направленность научно-исследовательских работ – повышение безопасности горных работ при разработке угольных пластов на глубинах более порядка 1000 м, учитывающая память горных массивов и их склонность к деформациям генетического возврата.

Для инженерно-технических работников угольных предприятий, государственного надзора, проектных и научно-исследовательских институтов, преподавателей, аспирантов, студентов высших учебных заведений, в первую очередь специальностей охрана труда в горном производстве, геомеханические процессы горного производства и подземная разработка месторождений полезных ископаемых.

Рекомендовано к печати решением Ученого совета Института горного дела и геологии (протокол № 2 от 25.03.2011), и Ученым советом горного факультета ДонНТУ (протокол № 5 от 25.03.2011).



ISBN ___________

УДК 622.831.1

ББК 33.14
© В.И.Николин, С.В.Подкопаев

О.Г.Худолей, Н.В.Малеев, 2011
Посвящается 90-летию

Горный техникум - Горный институт – ДИИ

ДПИ – ДонГТУ - ДонНТУ



Николин Виктор Игнатьевич

горный инженер, доктор технических наук, профессор кафедры охраны труда и аэрологии Донецкого национального технического университета. Член-корреспондент Академии горных наук Украины. Лауреат государственной премии Украины в области науки и техники, лауреат премии им.акад.А.А.Скочинского. Автор двух научных открытий в области горной науки, более 340 научных трудов.



Основное научное направление – выбросы угля (породы) и газа; сохранение устойчивости горных выработок для снижения травматизма от обрушений




Подкопаев Сергей Викторович

горный инженер, доктор технических наук, профессор, декан горного факультета Института горного дела и геологии Донецкого национального технического университета. Автор научных открытий в области горной науки.



Основное научное направление –защитные пласты, сохранение устойчивости горных выработок для снижения травматизма от обрушений





Худолей Олег Геннадиевич

горный инженер, кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление производством» горного факультета Института горного дела и геологии Донецкого национального технического университета. Автор научных работ в области горной науки.



Основное научное направление – устойчивость горных выработок, выбросы угля (породы) и газа, промышленный маркетинг.





Малеев Николай Владимирович

горный инженер, кандидат технических наук, начальник ГП Донецкий экспертно-технический центр Госпромнадзора Украины, автор научного открытия в области горной науки.



Основное научное направление –сохранение устойчивости горных выработок для снижения травматизма от обрушений.






ПРЕДИСЛОВИЕ
Известно, что в конкретных горных выработках (штреки, лавы и прочие) при выемке угля, руд в связи с перераспределением напряжений имеют место деформации, направленные в сторону выработок, выработанного пространства, чаще всего, нередко, называемые отжимом. Именно в этом же направлении развиваются деформации генетического возврата, способствующие росту иногда весьма существенному глубины зоны отжима, но научно-экспериментально недостаточно объясненные. Именно они изменяют-снижают выбросоопасность призабойной части пласта, происходящую за счет, в том числе дегазации. Рост склонности к газоотдаче происходит из-за роста доли объема порового пространства, представленного ячейками размерами ≥ 10-7 м, практическая значимость которых к настоящему времени недооценивается. Но не в этом даже самое главное. Оно в необходимости понимания её сущности, толковании практической полезности, являющейся новым, одним из наименее изученных и потому пока чуть загадочных по практической значимости в горной науке и практике. Полагаем её невторостепенной роль в решении отдельных проблем разработки углей и руд на больших (> 1000 – 1500 м) глубинах.

В работе не ставится и не может ставиться как самостоятельная только задача безопасной разработки пластов на глубинах более 1000 м.

С самого начала изучения нами названной проблемы (это примерно начало- середина шестидесятых годов прошлого века) за рабочую научную основу было принято представление большой группы ученых, ранее развивавших идеи геологоразведочного треста «Артемгеология» (главный геолог М.Л. Левенштейн): В.Е. Забигайло, Б.М. Костенко, Г.Д. Лидин, В.В. Лукинов, А.З. Широков и многие, многие другие. Кратко и, может быть, чуть упрощенно, схематично она заключалась в следующем.

Степень метаморфизма углей определяется глубиной доинверсионного погружения, Hn, км. Тектонические процессы, обусловившие постинверсионые поднятия и опускания земной коры по мнению проф. ДонНТУ Панова Б.С. имели место трижды, последние из которых произошли примерно 1,5 млн. лет тому назад.

Тектонические напряжения, которые когда-то (может быть, те же 1,5 млн. лет) привели к складкообразованию, обусловили интенсификацию деформаций ползучести и, следовательно, рост степени метаморфизма углей (катагенеза пород) в местах объемного сжатия, в том числе, локального. Теперь, если названный массив разгрузить, естественными будут деформации возврата, не соответствующими по величине деформациям обратной ползучести. Различие определится затратами энергии объемного сжатия на физико-химические превращения как ОВ, шахтных вод, так и вмещающих их пород.

Почти двухлетний период наших размышлений, или незакономерного чередования при рассмотрении известных из механики горных пород понятий, терминов, процессов (генезис, деформации возврата, физико-химические превращения состава шахтных вод и др.) при неизменном стремлении обязательно придумать такое название деформаций, которое бы соответствовало природе превращений, завершился маленькой "эврикой" - искомое название было сформулировано: это деформации генетического возврата (ДГВ). Они были вынесены в заголовок монографии, изданных уже в 2001 и в 2005гг., многочисленных статей, двух открытиях, в которых кратко изложена как сущность ДГВ, так и направленность их эффективного использования на шахтах при ведении горных работ.

Длительность процессов формирования углепородного массива, неопределённость величин неупругого деформирования в условиях изменявшегося объёмного сжатия, температуры и пр., доказывают практическую значимость генетической памяти, особенно в условиях современной разработки угольных месторождений на больших глубинах.

К 2010 году надёжно доказываются следующие фундаментальные, геомеханические по существу научные положения.

1. Реальность разрушения при разгрузке углепородного напряженного массива (образцов), претерпевших многолетнее неупругое деформирование при трехосном сжатии.

2. Природная физико-механическая комплексность содержания термина деформации генетического возврата в отличие от обратной ползучести. Излагаются возможности многогранности, многоплановости практического использования процессов деформаций генетического возврата, в том числе для оценки безопасной глубины выемки выбросоопасных пластов в лавах, штреках, квершлагах; устойчивости подготовительных выработок, особенно и в том числе травматизма от газодинамических явлений (ГДЯ), обрушений и т.п.

Специалистам-горнякам, геологам, шахтостроителям, маркшейдерам, обогатителям и др. специализаций хорошо известно, что в породах верхней части земной коры в постинверсионный период до наших дней происходили и происходят процессы выветривания (диссипации). Получила она название зоны газового выветривания, а её зависимость от степени метаморфизма углей (катагенеза пород) в среднем для Донецкого бассейна является прямолинейной. Она увеличивается примерно со 100м в районах разработки антрацитов до 430-440 м в районах разработки длиннопламенных углей. Очевидно, что развитие ДГВ при разгрузке возможно только ниже не менее чем, думаем, примерно, на 50-100 м (а может, и больше) глубины зон газового выветривания.

Многие специалисты, особенно горные инженеры, великолепно знают, как катастрофически отрицательно влияет шахтная вода на устойчивость выработок. С другой стороны, не менее известно и то, что нет абсолютно сухих пород. Присутствие в них воды, как правило, оценивается природной влажностью Wp, %.

Давным-давно (вторая половина шестидесятых – начало семидесятых годов прошлого века) МакНИИ совместно с нами надёжно экспериментально определил, что в пористом углепородном массиве содержатся "сложные газонасыщенные растворы", обладающие, как установлено к настоящему времени, памятью, изучения которой недооценивается.

Очевидно, что по мере увеличения глубины залегания углепородного массива в постинверсионный период протекания процессов физико-химико-механических превращений в образующемся трещиновато-пористом объёме растворов практически завершилось оформление современной структуры осадочного массива. Разработка последнего на глубинах больше или существенно больше глубин зон газового выветривания и является местом появлений деформаций генетического возврата.

Первая наша монография [1] представляла собой перечень публикаций, относившихся к гипотезе разрушения длительно объёмно нагруженных горных массивов, образцов пород при разгрузке.

Вторая [2] содержит экспериментально-аналитические доказательства реальности деформации генетического возврата, приводящих как к разрушению, так и изменению объёма, структуры порового пространства углей, пород.

Третья [3] – максимально возможно конкретизирует особенности проявлений горного давления на больших (примерно более 700-1000м) глубинах. Её написание во многом обусловили, в том числе и высказывания сомнений даже отдельными не очень дальновидными руководителями угольной отрасли о нецелесообразности развития горных работ на таких глубинах.

Многолетние исследования ДонНТУ и других научно-исследовательских организаций, ссылки на которые сделаны, привели к доказательству ранее неизвестного свойства, процессов, явлений, которые позже были зарегистрированы как открытие, в частности, это уже названные деформации генетического возврата (ДГВ). Проявляются они при разгрузке ранее длительное время напряженного массива, особенно интенсивно ниже глубин зон газового выветривания (ЗГВ). В целом это нанопроцессы, которые могут продолжаться столетиями, и обусловлены непрерывно происходящим ростом поровых ячеек.

Над решением проблем каждого из названных в оглавлении основополагающих в горной науке направлений исследований плодотворно работала большая группа специалистов, в том числе и особенно самых высококвалифицированных отечественных и зарубежных учёных (академиков, профессоров, докторов технических наук), мыслящих производственников. Обязаны называть хотя бы их часть, внесших наибольший вклад в решение названных научно-технических проблем, без которого невозможно было бы данное исследование.

Это А.А. Скочинский, Ю.И. Баранов, А.Ф. Булат, И.В. Бобров, П. Бриджмен, Л.Н. Быков, М.П. Васильчук, В.С. Веселовский, Б.А. Грядущий, В.Г. Давидянц, В.Е. Забигайло, Ю.З. Заславский, М.П Зборщик, А.Н. Зорин, Ю.М. Карташев, О.А. Колесов, В.Г. Колесников, К.В. Кошелев, Г.Н. Кузнецов, А. Лабасс, В.В. Лукинов, М.Ф. Малюга, В.И.Орлов, П.С. Пашковский, И.М. Печук, В.В. Пудак, К. Рейнер, А.С. Рыбалко, В.И. Саранчук, Н.С. Сургай, Г.Я. Степанович, Б.М. Усаченко, В.И. Черняев и многие, многие другие.


ГЛАВА 1. ФРАГМЕНТЫ ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА ПРОВЕДЕНИЯ И СОХРАНЕНИЯ ВЫРАБОТОК НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
1.1 Общая геомеханическая характеристика некоторых глубоких угольных шахт Европы
Известные специалисты в области геомеханики бывшего СССР (Украины) доктора техн. наук, пороф. Кошелев К.В. (ДонНТУ) и Трумбачёв В.Д. (ИГД им. Скочинского А.А., Россия) еще около 40 лет тому назад отмечали, что на глубинах 600м и более расположено примерно 70 откаточных и вентиляционных горизонтов. Для охраны выработок применяют или могут быть применены 17 способов [4]. Критерии больших глубин не называются, но анализируется опыт крепления только капитальных выработок из-за того, что в семидесятые годы прошлого века к ним относили подготовительные выработки, расположенные лишь на меньших, чем обычно капительные.

Не анализируя конструктивные особенности крепи выработок больших глубин, обратим внимание на мнение [4] об обязательном (подч. нами) плотном прилегании крепи к породам по всему периметру выработки, что соответствует и требованиям наших ПБ.

Одновременно с этим констатируется, что в особо сложных условиях шахты "Эвальд" (Англия) на глубине 950м плотное прилегание крепи к породам не создавалось.

Пространство между крепью и породой, которое составляло 20-90см, заполнялось бетоном (соотношение его 7:1). В результате достигалось более равномерное распределение нагрузки на крепь по периметру. Крепь как бы "плавала" в золо-бетоне.



За 9 лет эксплуатации (подч. нами) выработки ремонт крепи не производился. Площадь поперечного сечения за этот период уменьшилась на 10-13%, однако местных очагов деформаций не наблюдалось.

Расходы на проведение выработки и крепление её деревянной крепью оказались ниже, чем расходы на проведение выработки и крепление её бетонами и металлической крепью на 346% (!).

Описание опыта охраны выработок на шахте "Эвальд" объясняется нами только тем, что он рассматривается как практическое доказательство-подтверждение реальности возникновения и развития деформаций генетического возврата (ДГВ) при разгрузке, которое было неизвестно английским специалистам ранее.

Они интуитивно их почувствовавши, успешно практически реализовали нынешнее наше открытие "О связи деформаций горных пород с их влажностью" [3, 5]. Констатируется, что при разгрузке напряженных горных пород деформации, обусловленные имевшими ранее место природными деформациями ползучести и физико-химическими превращениями, возрастают с увеличением влажности.

К.Р. Кошелев и В.Ф. Трумбачёв отмечают, что в Англии (как и у нас к семидесятым годам прошлого века) глубина разработки достигла 600-700м. Основное внимание (опять же, как и у нас) уделяется вопросу крепления штреков, что объясняется ростом горного давления с увеличением глубины разработки. Называются чрезмерное поддувание почвы, перекосы крепи, её деформации, т.е. то, что происходит и у нас на современных, больших глубинах.

На шахте "Абернат" в Южном Уэллсе основным видом крепи для капитальных выработок являлись бетонные блоки. Первоначально это была жесткая монолитная крепь, которая оказалась неработоспособной. Применяемая бетонитовая (с деревянными прокладками) обеспечила хорошую устойчивость выработок. "Закрепленное пространство" заполнялось песком и мелкой породой.

Анализ (очень краткий) зарубежного опыта охраны подготовительных (капитальных) выработок на больших глубинах в особо сложных условиях доказывает перспективность практического использования и развития отечественных представлений и конкретных решений о возникновении деформаций генетического возврата при разгрузке.
1.2. Особенности закономерностей проявления горных ударов на больших глубинах
Необходимость внимательного творческого учёта того, что в основе нашего анализа находится не оригинал монографии, статей, а перевод её на русский язык лишь одной монографии [6, 7]. Это не исключает возможности некоторых разночтений, разнотолкований в деталях, но характеризует в целом зарубежный опыт проведения выработок.

Не менее практически важным и убедительным доказательством реальности ДГВ являются описанные так называемые длительные перерывы проходческих работ в случаях проведения камерных выработок, имеющих ограниченную протяженность. Относятся они ко времени воздействия крепи в проходческом цикле. Если выработку проводят с длительными перерывами (в том числе и камерные выработки), постоянную крепь необходимо возводить после завершения интенсивных смещений пород. Графики рис. 1.1 доказывают сказанное.


Р
ис. 1.1 – График зависимости нарастания нагрузки на крепь от установки ее относительно проходческих работ [4].
При возведении крепи в непосредственной близости от проходческого забоя (гор. 860 шахты "Кочегарка") нагрузка со стороны глинистых сланцев интенсивно нарастает в течение первых трёх месяцев и достигает величины 14 тс. (кривая 1 на рис. 1.1). В аналогичных условиях этой же шахты при возведении крепи с отставанием 1-2 месяца наблюдается более плавный характер нарастания нагрузки, величина которой не превышает 7 тс. (кривая 2).

В условиях гор. 740 м шахты "Комсомолец" ГП "Артёмуголь" при возведении крепи с отставанием до двух лет нагрузка со стороны глинистых сланцев не превышает 3,7 тс и быстро стабилизируется (кривая 3).

Небольшую нагрузку испытывала крепь второй обходной выработки (гор. 816 шахты им. Дзержинского), которую возводили с отставанием от проходческих работ на 6 месяцев (кривая 4) – табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Зависимость нагрузки на крепь от времени её возведения




Шахта, горизонт

Выработка

Вмещающие породы

Отставание воздействия крепи от проходческих работ, месяц

Состояние крепи

"Северная" ГП "Дзержинскуголь" гор. 740м

Камера ожидания

Песчаники

4,0

Удовлетвори-

тельное


"Кочегарка",
гор. 860м

Камера преобразова-

телей


Глинистые сланцы

1,5

Деформи-

рованное


Им. Артёма,
гор. 740м

Электрогараж

Песчанистые сланцы

3,0

Удовлетвори-тельное

В табл. 1.2 приведены затраты на поддерживание выработок, крепь которых возводилась на различном расстоянии от проходческого забоя. Их зависимость очевидна, хотя и не может быть математизирована, да в этом и нет необходимости.

Основной смысл анализа видим в поиске возможностей использования зарубежного опыта, учета его с позиций отечественных знаний и понимания сущности динамических проявлений горного давления в глубоких шахтах. Не исключаем возможности и полезность взаимных сопоставлений практики разработки и способов прогноза предотвращения выбросов угля (породы) и газа, горных ударов.
Таблица 1.2 – Зависимость затрат на возведение крепи от расстояния до забоя


Шахта, горизонт

Вмещающие породы

Стоимость крепления 1м выработки, грн.

Отставание крепи от забоя, м

Затраты на ремонт в зависимости от стоимости крепи, грн.

"Щегловская-Глубокая" ГП "Макеевуголь", гор. 915м

Глинистые сланцы

91

5-10

18

17-17-бис, ГП "Донецкуголь", гор. 880м

Песчаник

510

5-15

85

Им. Бажанова,
гор. 1012м

Глинистый сланец

220

10-15

85

"Кочегарка",
гор. 860м

Песчаник

96

50-60

28

Изучение описанного в [1, 2, 3] отечественного опыта убеждает в недостаточно детальном знании и понимании за рубежом совершенствующихся в последнее десятилетие наших представлений о природе и механизме выбросов угля, (породы) и газа, обрушений углепородного массива.

Склонны объяснить сказанное преимущество тем, что во-первых, опубликованы некоторые результаты исследований были нами ранее в местных (Донецкая область Украины) изданиях.

Во-вторых, авторы монографии в ХХІ столетии непосредственно не участвовали в развитии отечественных исследований, относившихся к вскрытию природы особенностей динамических проявлений горного давления – разрушения на больших глубинах при разгрузке.

Значительный объем ссылок библиографии в [6] – это 36 позволяет относить ее к достаточно фундаментальному обзору зарубежного опыта, заслуживающему пристального внимания.

До 2006г. нормативами при разработке выбросоопасных пластов Донбасса явились «Инструкции…», общие для всех шахт Советского Союза. В них излагались в том числе сущность, понятие, особенности выбросов угля (породы) и газа.

В новом стандарте Минуглепрома Украины, введенном в 2006г., они содержаться в Приложении А [8]. Именно поэтому посчитали необходимым прежде чем анализировать сожержание монографии очень кратко повторить – сформулировать самое современное – совершенное понятие процесса выбросов как разрушения при разгрузке, исключающее давно устаревшее "размещение разрушенной породы (угля) после выброса в выработке под углом естественного откоса" [9].

Выброс угля (породы) и газа представляет собой быстропротекающее разрушение призабойной (пристеночной) части выработки, возникающее при перераспределении напряжений во время выемки угля (породы), распространяющееся в глубину массива, сопровождающееся отбросом по пройденным выработкам иногда на сотни метров разрушений до тонких фракций породы, как правило, содержащей "бешеную муку", повышенным по сравнению с обычным газовыделением и образованием в массиве полостей нередко причудливой формы.

Таким образом, это лавинообразное, самоподдерживающиеся разрушение, представляющее последовательный отрыв пластин газоносных пород и вынос их по ранее пройденным выработкам в псевдожиженном газом потоке.

Роль природной газоносности двояка. Она "охрупчивает" горный массив, т.е. увеличивает склонность к разрушению при разгрузке от деформаций растяжения, а так же способствует увеличению интенсивности выбросов за счет отброса (выноса) разрушенной породы в газовом (псевдоожиженном) потоке.

Академик Скочинский А.А. еще в прошлом веке утверждал, что "только три фактора в совокупности определяют формирование потенциальной выбросоопасности: газ, горное давление и физико-механические свойства угля".

Следовательно, использование авторами рецензируемой монографии термина "внезапные выбросы породы" не совсем полно соответствует сущности и природе явлений, которые имеют место на шахтах Украины, России, Германии, Белоруссии, Армении и других стран мира при выбросах угля (породы) и газа (песчаников, солей, порфиритов и др.).

Более того, авторы монографии [6] не совсем точны. В частности, на рисунках 3.2 и 3.9 написаны Rockburst – это, все-таки, горные удары. На рис. 3.10 они же показаны и тексте монографии на с. 210 определены как малые выбросы – "стреляния" пород. Навряд ли правильно изменять название динамического проявления из-за его «масштабности» (малые, большие), а не из-за его природы.

В нормативных положениях СССР и теперь Украины выбросоопасность пород (песчаников) по интенсивности разделения кернов разведочного (колонкового) бурения на диски подразделяются на 3 степени: высокая (>500т), средняя (100-500 т) и невысокая (менее 100т). Для каждой из них рекомендуются конкретные способы предотвращения выбросов или уменьшения их интенсивности.

Подраздел 3.1 (с. 184-283) назван "Внезапные выбросы породы", а 3.2 "Землетрясение" (с. 284-361). Замечания-уточнения по ним помещены далее.

В целом, терминологические «нестыковки» в деталях, думаем, не снижают полезность изучения зарубежного опыта проведения тоннелей в условиях возможных динамических проявлений горного давления. Пока ограничимся взятием термина "внезапные выбросы породы" глубоких шахт в кавычки, а сокращенно их название представим как ВВП.

Нельзя не соглашаться с мнением зарубежных специалистов и переводчиков с оценкой сейсмичности ВВП значениями их магнитуды по шкале Рихтера. Но надо хорошо понимать, что она (сейсмичность) – это только следствие разрушения, ибо не магнитуды же вызывают ВВП. Использовать их для прогноза выбросоопасности или степени выбросоопасности, как это делается на основе нормативных положений по разделению кернов на диски на шахтах Украины более 40 лет, невозможно, ибо необходимые для этого исследования ранее не выполнялись или нам они неизвестны.

Вполне положительно в монографии оценивается возможность прогнозирования склонности к «выбросам породы» по расслоению кернов разведочного бурения на диски (с. 205-210). Но природа расслоения кернов объясняется иначе, чем это было сделано в СССР ранее на основе представлений о разрушении кернов скважин при разгрузке.

С позиций современных представлений ДонНТУ о реальности разрушения горного массива при разгрузке его участок у забоя скважины при колонковом бурении как бы оконуривается своеобразным кольцевым пазом (рис. 1.2), т.е. разгружается. Деформация упругого восстановления и генетического возврата, являющиеся деформациями растяжения, отрывают диск от массива.



Рис. 1.2 – Схема развития деформаций упругого восстановления и генетического возврата при бурении разведочной скважины


Значительно ранее (не менее 10-20 лет тому назад) мы отмечали, что расслоение кернов – разделение кернов на диски это признак высоких напряжений, действовавших продолжительное время. Но как было экспериментально установлено, доказано нами совсем не обязательно они должны быть перпендикулярными направлению максимальных напряжений. В частности, в квершлаге ш. "Кочегарка" ГП "Артемуголь" в выбросоопасном песчанике пробурили три разведочных колонковых скважины: одну в направлении проведения выработки, вторую – перпендикулярно ей (в стенку) и третью – в направлении замка металлической арочной крепи. Во всех скважинах керны разделялись на диски выпукло-вогнутой формы, выпуклостью ориентированных в сторону забоев скважины.

Следовательно, выбирать направленность бурения, при прогнозе выбросоопасности по разделению кернов на диски, не следует. Скважины должны ориентироваться по ходу выработки (тоннеля), а не его стенку. Может быть, из-за этой неточности было ограничено за рубежом применение способа.

В некоторых случаях, особенно в изверженных породах и зонах высокой степени выбросоопасности, может происходить расслоение кернов на такие тонкие диски, которые разрушаются во время бурения и вымываются промывочным раствором. Выбросоопасность теперь может прогнозироваться по уменьшению выхода кернов Вк, рассчитываемого как отношение длины кернов разведочной скважины , к общей длине скважины , м:
, (1.1)
Предложение было реализовано ДонНТУ при проведении тоннеля Арпа-Севан в Армении, когда к выбросоопасности относили породы при Вк < 0,5.

В 1987 г. сотрудники ДонНТУ (проф. Николин В.И. и доц. Яйло В.В.) посетили Североуральские бокситовые рудники (СУБР) в России. На них по рекомендации ВНИМИ (г. Санкт-Петербург, Россия) в этот период времени успешно прогнозировали удароопасность бокситовых руд по разделению кернов на диски.

Наше новое представление о реальности разрушения породных массивов при разгрузке подтвердилось результатами бурения сверхглубокой скважины на Кольском полуострове в России, которую сотрудники ДонНТУ (профессора Николин В.И. и Александров С.Н.) посетили в начале восьмидесятых годов прошлого столетия.

Первые отдельные диски при бурении скважины в гранитах обнаружены на глубине примерно 6000-7000 м. По мере увеличения глубины бурения число дисков возрастало, на глубине 11500 м, когда извлеченные керны нам удалось увидеть, дисков не стало. Прочный гранит разрушался до размеров крупнозернистого песка и выносился промывочной жидкостью. Та часть кернового материала, которая до такого состояния разрушена не была, представлена сфотографированными нами, пластинообразными плитками толщиной в несколько миллиметров [3, 10]. Выход керна Вк  0,35.

В главе 3 монографии рассматривается разгрузочное взрывание, которое позволяет устранять или контролировать малые выбросы. Прекращение применения способа объясняется трудностью бурения и заряжения длинных скважин. Нам кажется, что принятое решение было поспешным по двум причинам.

Во-первых, изучение фотографий разрушений, вызванных ВВП, убеждает в том, что в тоннелях, проводимых в весьма прочных породах, глубина разрушений их стенок не превышает примерно около 3 м (рисунки 3.1, 3.4, 3.5, 3.19, 3.24 и др.). Эта же мысль выражена на с.232: "Глубина трещиноватой зоны в стенках тоннеля на шахтах Южной Африки обычно составляет от трети до половины высоты стен".

Во-вторых, это полностью совпадает и соответствует нашим обоснованиям необходимости для сохранения устойчивости подготовительных выработок на больших глубинах проводить в них компенсационные выемки (ниши, траншеи и т.п.) ограниченной глубины. На основании сравнительно небольшого опыта применения способа на шахтах Донбасса можно приблизительно назвать для проведения промышленных испытаний параметры компенсационных выемок. Их высота составляет 2,5-3,0 м, расстояние между ними по длине тоннеля около 0,5L, где L – максимальный размер сечения выработки при ширине примерно 1 м.

Физико-технологический и геомеханический смысл их проведения принципиально отличен от того смысла, который вкладывался в течение многих лет ранее в СССР, он, безусловно, приводит к перераспределению напряжений. Но не напряжения или их перераспределения обусловливают сохранность выработок, а только возможности изменять направленность деформирования после очень продолжительного трехосного сжатия. Эта деформации генетического возврата, которые будут описаны в главе 3.

В этой же главе приведены, в том числе примеры снижения вредного воздействия ВВП при проведении автомобильных тоннелей. Констатируется, что в недавние годы от проведения тоннелей вдоль и вокруг фиордов перешли к проведению их между (поперек) фиордов. Обращается внимание на своеобразие зон "близких к поверхности, на которые влияют эрозионные процессы" (с. 213), но ни слова ни говориться о том, как они определяются.

В горногеологических условиях Украины нет тоннелей для проведения параллельно фиордам, но достаточно детально описаны участки углепородного массива, названные ранее в Советском Союзе зонами газового выветривания (ЗГВ). В ходе проведения исследований определялась зависимость ее глубины от степени метаморфизма углей, катагенеза пород, т.е. прочности углепородного массива. Ее глубина в среднем возрастала примерно от 100 м в районах разработки антрацитов до 430-440 м в геологопромышленных районах разработки углей марки Д. В названных районах за многие десятилетия не произошло не только ни одного выброса породы, но и ни одного внезапного выброса угля и газа.

Сказанное вполне позволяет нам утверждать, что "безвыбросное" проведение тоннелей вдоль фиордов вполне возможно, но только при условии разработки надежного способа определения (измерения) глубины влияния эрозионных процессов.

В анализируемой монографии несколько раз констатируется технолого-экономическая, а иногда и научно-техническая сложность предотвращения большинства внезапных выбросов. Эта констатация вполне справедлива и для угольных шахт Украины с той только разницей, что реально на порядки сказывается различие в объемах финансирования затрат на науку.

С позиций непосредственно финансовых расходов на безопасность труда особую статью представляет тот факт, что все ВВП происходят при производстве взрывных работ, ибо тоннели проводятся по прочным или очень прочным породам, которые разрушаются буровзрывным способом.

На шахтах СССР, а теперь и Украины то же – это сотрясательное взрывание. С середины прошлого века в передовых Европейских странах (Франция, Бельгия, Венгрия, Германия и др.) считалось, что основной недостаток сотрясательного взрывания заключается в возможности так называемых «запоздалых выбросов», которые могут происходить через какое-то время (даже в течение суток) после производства взрыва. Вопрос этот неоднократно рассматривался, экспериментально регистрировался, обсуждался.

В положения о сотрясательном взрывании было введено и в течение многих лет на шахтах Украины сохраняется ограничение времени, через которое допустим (возможен) осмотр забоя выработки после производства взрыва зарядов ВВ – это не менее 30 мин. Все описанные в монографии ВВП произошли (как бы были "спровоцированы") "вскоре после взрывных работ (с. 244)". Но один из них (шахта Macassa, апрель 1997 г., гор. 6723 фут.) выделен из-за того, что произошел через 7 минут после взрывания.

Описанный опыт вполне подтверждает как обоснованность ограничения времени осмотра забоя выработок выбросоопасных пород (углей), так и дополнительно акцентирует внимание на необходимости его выполнения.

Необходимо обратить особое внимание на описание ВВП, происходившие на шахте Lake Shore Канады, разрабатывающей 2 узкие золотоносные кварцевые жилы. "Малые выбросы" (< 20 т) происходили во время проходки слепых стволов. В стволе №4 между глубинами 1340 м и 1570 м было зарегистрировано 60 выбросов, а на этой же глубине в стволе №6-30. Интересно и полезно отметить, что при дальнейшей проходке выбросы не наблюдались, глубины 2520 м" (с.242).

Объясняется в монографии феномен двумя, но только возможными по терминологии авторов причинами, которые мы так же как и ее авторы полностью не принимая, обращаем внимание на редчайшее совпадение с идеями и доказательствами опубликованного ранее гипотетического уменьшения склонности к выбросам угля и газа при разработке угольных шахтопластов по мере увеличения глубины разработки. Вопрос детально рассмотрен в главе 5.

Обосновывая изменения проявлений выбросоопасности при увеличении глубины разработки в решающей степени ранее учитывали результаты, экспериментально полученные американскими исследователями в лабораторных условиях. Кратко их сущность заключалась в следующем.

Испытания образцов производились в установках для трехосного сжатия по схеме фон Кармана:


Z >X =Y (1.2)
Констатировалось, что диаграммы напряжения сжатия – деформации при Z X = 70 кг/см2 во всех случаях являлись характерными для хрупких материалов.

Диаграммы напряжения – деформации при боковом давлении Z = X = 210 кг/см2 свидетельствовали о более пластичном, в отдельных случаях, типе разрушения: регистрировались несущественные деформации ползучести.

При Z X = 350 кг/см2 деформации ползучести оказались значительнее, а при разгрузке зарегистрировано необычное разрушение образцов на "вафлеобразные" пластины (диски).

Авторы экспериментов вспомнили, что такой тип разрушения ранее впервые и тоже совершенно неожиданно и тоже при выполнении лабораторных экспериментов во время разгрузки получил П. Бриджмен. Они полностью повторили, т.е. согласились с объяснением этого необычного разрушения по П. Бриджмену.

Одновременно с этим согласием не столько обратили внимание, сколько акцентировали внимание на том, что разрушались керны – цилиндры на вафли, перпендикулярные максимальным напряжениям, что и могло обусловить ограничение применения способа, о котором мы уже говорили.

В связи с высказанным нами ранее в [3, 10] предположением представили на рис. 1.2 графики зависимости деформаций ползучести от напряжений Z при трехосном сжатии, когда Z X = 350 кг/см2, которые соответствовали по напряженности экспериментам, когда ранее П. Бриджмен впервые обнаружил разрушение горной породы при разгрузке.

В следующей серии экспериментов Z X = 700 кг/см2 было дополнительно введено внутрипоровое (внутритрещинное) давление флюидов в образцы пород. Результаты экспериментов описаны в главе 3 достаточно детально, поэтому нет смысла их повторять. Но необходимо обратить внимание на то, что при Z X = 700 кг/см2 во время разгрузки образцов породы, в которых внутрипоровое давление не создавали, не описано ни одного случая разрушения. Их не было или они не происходили, остается пока не очень понятным.

Анализируемые в главе 3 эксперименты осуществлялись при температурах 26°, 90° и 150°С. Учитывая то, что на больших глубинах температура горных массивов возрастает, посчитали необходимым дополнительно рассмотреть и влияние на зависимость напряжения - деформации роста температуры с 26° до 90°.

Последняя температура примерно соответствует уже названной глубине, которая характеризуется прекращением ВВП в Канаде. Сопоставление графиков (рис. 1.2) убеждает в положительном и существенном влиянии температуры на рост неупругих деформаций образцов известняка при трехосном сжатии.

В статье отмечается, что высокая температура снижает максимальную прочность, "повышает податливость" (подч. нами).

Что это такое в статье не разъясняется, но одновременно с этими мыслями растет наша убежденность в том, что вероятность динамического или взрывоподобного разрушения при разгрузке, имеющей место на больших глубинах, может только уменьшаться.

Р
ис. 1.2 –Диаграммы "напряжения – деформации" для известняка

1 – при боковом давлении 350 кГ/см2 и температуре 26°С;

2 – при боковом давлении 700 кГ/см2 и температуре 26°С;

3 – при боковом давлении 700 кГ/см и температуре 90°С
Рассмотрение идентичности динамики роста деформаций породы при увеличении трехосной напряженности и одновременно еще более значительно при увеличении температуры подтверждает обоснованность наших ранее высказанных предположений о снижении склонности углепородных массивов на больших глубинах к разрушению при разгрузке.

Названные результаты экспериментов, хоть они только лабораторные, и вопреки мнению многих ученых о недопустимости сопоставления общности и образцов и массива, приводят нас к двум существенным по практической значимости утверждениям, излагаемым (доказываемым в главе 5).

Во-первых, на больших глубинах выбросы угля и газа действительно при сохранении современной технологии угледобычи должны прекращаться. Как это утверждалось и в [1-3, 10] ранее, в первую очередь оно произойдет в лавах. Здесь зона отжима настолько возрастает, что при применении узкозахватной, односторонней выемки разрушение полосы угля осуществляется в ее пределах и потому перераспределение напряжений не может сопровождаться выбросами.

Сопоставление результатов последней и предпоследней серии экспериментов (Z X = 700 кг/см2) вполне удовлетворительно подтверждает представление о двоякой значимости природной газоносносности при разрушении во время разгрузки, особенно "охрупчивания". Несколько раз констатируется образование "вафлей", когда создавалось внутрипоровое давление флюидов, но ни разу даже не упоминается о них, когда оно не создавалось.

Приведенные результаты были известны нам давно, еще до высказывания гипотезы об уменьшении проявлений выбросоопасности при увеличении глубины разработки, но были неизвестны фактические результаты разработки месторождений угля и руд на больших глубинах. Такие данные оказались в рассматриваемой и рецензируемой монографии. И хоть глубины эти около 2000 м, но ни в коем случае не следует упускать из вида двух важнейших положений – "как бы деталей": – различие по прочности (временному сопротивлению растяжению) пород примерно в несколько раз; – отсутствие (или наличие) водогазовых растворов в порах прочных пород, особенно размерами менее 10–7 м (нанометры).

Совершенно определенный, важный для практики, вывод, который может быть сделан к настоящему времени, заключается в необходимости выполнения дополнительных исследований. В методическом плане они должны быть более глубокими, по существу наноисследованиями, но не превращающихся в изучение процессов на атомно-молекулярном уровне, бесперспективность которого была доказана неоднократно значительно ране [1, 2]. Не следует упускать из вида, что горные, особенно осадочные породы – это пористый по изначальному происхождению материал. А поры – это какие – то как бы потенциальные ячейки, образовавшиеся между твердыми частицами – зернами пород, обязательно заполнившимися в процессе генезиса водными растворами.

Вопросы о формах полостей, образующихся при ВВП нами не рассматриваются, ибо о них в монографии почти ничего не говорится. Констатируется лишь что ВВП не происходят в "слабых породах". Но на три особенности ВВП и полостей, которые при этом образуются, обратим все-таки внимание.

1. Они происходят только при выемке прочных пород буровзрывным способом и только в той части выработок (тоннелей), которые, чаще всего, уже были пройдены или при наличии движущегося забоя, но на некотором расстоянии от обнажений.

2. Разрушения тоннелей, так же как и выбросы угля (песчаников) и газа, являются локальными и пристеночными (см. рис. 3.1, 3.4 и д.р.). Это все-таки, во-первых результат, как правило, неоднократного перераспределения напряжений при выемке пород в очередных проходческих циклах. Во-вторых, ударная нагрузка от производства взрывных работ при неизменности величины заряда уменьшается (или увеличивается).

3. Не зарегистрированы разрушения пород в направлении проведения выработок (тоннелей), что почти всегда имеет место при выбросах угля и газа, породы и газа. Оно придает образующимся при этом полостям форму, названную нами ранее причудливой и объясняющейся природной причудливостью распределения водогазовых смесей в материнских породах, но уж никак не причудливостью распределения напряжений.

В подразделе "Землетрясения", по данным современного зарубежного опыта, подтверждается уже известное положение о том, что породы, вмещающие подземные выработки, испытывают значительно меньшие колебания, чем наземные сооружения. Констатируется, что глубокие тоннели "страдают" от землетрясений существенно меньше, чем мелкие. Соглашаясь с этим мнением, детально названный вопрос, не рассматриваем.

Наши замечания не являются сугубо теоретическими по отношению к природе ВВП. Именно поэтому отдельные частные, может быть, недостаточно научно обоснованные положения, не имеющие существенного практического значения, не обсуждаются. Для этого нужны были бы основательные фундаментальные научно-практические конференции, скорее всего, совсем не исключаем, и международные.

К сказанному следует добавить принципиально важное: они, землетрясения, их природа совершенно никак не связаны с проведением горных выработок. Вполне убедительно доказывает это и то, что многие подземные сооружения, построенные в разных странах мира и на различных глубинах, в том числе описанные в рецензируемой монографии, испытали воздействие землетрясений. Было очевидно, что уменьшение повреждений является функцией глубины разработки, которая их проявлениям не способствует.

Описанные повреждения, имевшие место при землетрясении с магнитудой на ш. Tangshan глубиной 764 м в Китае подтверждают сказанное. Но произошло оно больше 40 лет (1976 г.) тому назад и, только на глубине, превышающей глубину зоны газового выветривании.

Надеясь на полезность ознакомления с нашими замечаниями не только отечественных, но и зарубежных специалистов, просим авторов рецензируемой монографии изыскать такую возможность.


Каталог: jspui -> bitstream -> 123456789
123456789 -> Задачах: а определение терминов «концепт» и«концепто-сфера»
123456789 -> Моделирование нагрузок при экспериментальном исследовании подшипников
123456789 -> Реферат: Статья посвящена анализу «философии практики»
123456789 -> C. И. Побожий (г. Сумы) музыка в жизни и творчестве в. А. Серова многогранное творчество В. А. Серова принадлежит не только русской, но и украинской культуре
123456789 -> Ресурсное обеспечение экономического развития промышленных регионов в кризисных условиях
123456789 -> Система видеонаблюдения для машиниста шахтного электровоза
123456789 -> Увеличение количества уровней выходного напряжения двухуровневого автономного инвертора напряжения
123456789 -> Расчет емкости конденсаторов гибридного многоуровневого преобразователя частоты на базе четырехуровневого инвертора Афендикова М. Н., студент; Шавёлкин А. А., доц., к т. н
123456789 -> Сборник трудов VIII международной научно-практической конференции-выставки
123456789 -> Главное управление образования, науки и кадров


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница