геомеханических явлений.

Необходимая информация для построения геомеханических моделей и, в целом, для решения геомеханических проблем может быть получена с привлечением как экспериментальных, так и теоретических методов. Границы между этими методами в известной степени условны, зачастую какие-либо конкретные методы несут одновременно черты и экспериментальных, и теоретических методов исследований. Особенно это характерно для последнего времени в связи с широким применением вычислительной техники и бурным развитием методов математического моделирования.

Тем не менее, с известной степенью условности, все методы, применяемые в геомеханике в настоящее время можно подразделить на три группы:

* натурных наблюдений и измерений,

* моделирования

* аналитические.

Первая группа методов является при этом основной, поскольку в процессах горных работ чрезвычайно велико многообразие влияющих факторов Это обусловлено как специфичностью физической среды - массива горных пород, и в частности, большим разнообразием и изменчивостью горно-геологических условий, так и вариациями параметров и режимов ведения горных работ, а также тем, что горные работы постоянно развиваются и фронт их непрерывно перемещается в пространстве.

Поэтому, хотя наблюдения и измерения в натурных условиях трудоемки, дороги и организационно сложны, без них невозможно выявить основные определяющие факторы изучаемых процессов и правильно поставить задачи для аналитических исследований и моделирования. Таким образом, основная задача натурных наблюдений состоит в том, чтобы выяснить в общих чертах механизм изучаемых процессов, выделить доминирующие факторы, оценить наиболее важные параметры изучаемых процессов.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что к числу натурных методов целесообразно относить и чисто лабораторные методы, например, исследование образцов горных пород, поскольку при использовании иерархично-блочной модели массива пород понятие «образец» и «массив» теряют смысл. Свойства массива горных пород непосредственно зависят от величин рассматриваемых объёмов и наличия в них тех или иных порядков структурных неоднородностей. В соответствии с этим их необходимо определять на соответственно выбранных представительных объёмах, включающих эффективные виды неоднородностей, исходя из конкретно решаемой задачи и исследуемых процессов и объектов. Во многих случаях представительными будут являться объёмы, соответствующие традиционным образцам горных пород.

К настоящему времени для решения задач геомеханики предложено и применяется на практике большое число методов натурных измерений. С точки зрения физической сущности все натурные измерения сводятся к измерению плотности (или удельного веса) горных пород, деформаций (с последующим вычислением напряжений) и перемещений. Однако по видам решаемых задач и изучаемых процессов их можно подразделить на пять основных классов (табл. 5.1).

Указанные в табл. 5.1. методы резко различаются между собой физическими принципами, применяемой аппаратурой, трудоёмкостью, точностью и надёжностью получаемых результатов и в зависимости от этих факторов применяются для решения конкретных задач геомеханики. Однако, с позиций иерархично-блочной модели массива пород одной из самых существенных характеристик методов, оказывающих решающее значение на их выбор, является «база», для которой данный конкретный метод обеспечивает получение представительных результатов.

Фактически, под понятием «база» понимается объём массива пород, непосредственно вовлечённый в эксперимент в ходе применения тех или иных методов. Обычно мерой при этом являются линейные размеры, и в этом случае объём характеризуется как бы длиной ребра мысленно выделенного куба, в пределах которого

 

Классификация методов натурных измерений в геомеханике

Таблица 5.1

Класс методов	Определяемые параметры
I. Определение физических свойств и структурных харак-теристик массива горных пород.	1. Определение плотностных свойств пород. 2. Определение механических свойств пород. 3. Определение геометрических параметров структурных неоднородностей породного массива.
II. Исследование напряжённо-деформированного состояния массива горных пород и его изменений во времени.	1. Определение абсолютных и относительных напряжений и деформаций. 2. Наблюдения за изменениями деформаций и напряжений. 3. Определение смещений и напряжений при динамических воздействиях. 4. Определение параметров зон нарушенных пород вокруг выработок
III. Изучение взаимодействия пород с крепью и давления обрушенных пород	1. Измерения давления пород на крепь, днища блоков, закладку и пр. 2. Измерение деформаций крепи и элементов механизированных комплексов.
IV. Определение макро-деформаций и перемещений (сдвижений) горных пород.	1. Измерение оседаний горных пород и земной поверхности. 2. Измерение горизонтальных сдвижений горных пород и земной поверхности. 3. Измерение деформаций в толще пород, окружающей выработки. 4. Измерение относительных смещений и макродеформаций пород в выработках.
V. Мониторинг состояния массива с помощью специальных систем.	1. Контроль изменений деформаций и напряжений. 2. Контроль изменений оседаний горных пород и земной поверхности. 3. Контроль изменений горизонтальных сдвижений горных пород и земной поверхности. 4. Контроль изменений сближений пород в выработках. 6 Контроль изменения давления пород на крепь. 7. Контроль изменения параметров зоны нарушенных пород вокруг выработок.

 

получаемые результаты являются представительными. При дальнейшем рассмотрении конкретных методов на эту характеристику методов необходимо обращать самое серьёзное внимание.

Особое внимание необходимо уделить методу визуальных наблюдений - специальному виду наблюдений, который не включён в табл. 6.1, но имеет весьма существенное значение и практически всегда предшествует постановке и выполнению экспериментальных работ в натурных условиях массивов горных пород при решении любых задач геомеханики.

Сущность визуальных наблюдений состоит в фиксации видимых проявлений горного давления, деформирования и сдвижения горных пород Они позволяют получить те необходимые исходные сведения, которые не могут дать никакие инструментальные измерения, а именно: установить формы проявления изучаемых процессов и дать первые качественные представления о механизме исследуемых процессов в массиве пород, принимаемом обычно в качестве рабочей гипотезы, т. е. основы для выбора методики выполнения инструментальных измерений, а затем и для решения практических задач геомеханики методами моделирования и аналитическими методами.

Визуальные наблюдения позволяют в сравнительно короткий срок качественно проследить картину проявления процессов геомеханики на больших площадях шахтных полей, тогда как инструментальные наблюдения ввиду их гораздо более высокой трудоемкости и стоимости могут быть проведены всегда в каких-то ограниченных объемах.

Сочетание визуальных наблюдений с инструментальными измерениями позволяет:

* во-первых, правильно выбрать участки для инструментальных измерений;

* во-вторых, оценить представительность результатов инструментальных наблюдений путем качественного сравнения изучаемых процессов на тех участках, где проводили измерения, и на других участках, на которые стремятся распространить выводы, полученные по данным измерений;

* в-третьих, установить область применения результатов, полученных при инструментальных определениях.

Весьма существенное значение имеют результаты визуальных наблюдений и для правильного последующего формулирования задач, решаемых аналитическими методами.

Вместе с тем визуальные наблюдения следует рассматривать и как вполне самостоятельный метод, особенно эффективный, когда необходимо дать прогноз состояния уже эксплуатирующихся выработок. При этом зачастую подобные оценки приходится выполнять в весьма срочном порядке, и потому инструментальные исследования и измерения проводить некогда, а порой и небезопасно.

Однако применение визуальных методов в качестве основного метода исследования при кажущейся их простоте требует большого опыта и, главное, весьма четкого представления о механизме происходящих явлений.

При этом необходимо отметить, что, несмотря на большое значение и весьма широкое применение визуальных методов в геомеханике, к настоящему времени практически отсутствуют какие-либо методические разработки, регламентирующие их проведение в каких-то типовых условиях или для отдельных классов задач.

Исходя из этого, рассмотрим детально основные методические приёмы выполнения визуальных наблюдений на примере визуального обследования выработок, выполнявшегося сотрудниками Горного института КНЦ РАН для целей оперативной оценки устойчивости выработанных пространств и формулирования практических рекомендаций по их поддержанию в условиях скальных массивов слюдяных горнорудных предприятий.

Как известно, по правилам техники безопасности все горные выработки, работы в которых закончены или временно прекращены должны быть погашены (заложены пустой породой, искусственно обрушены) или закрыты перемычками, решётками, исключающими возможность доступа в них людей.

Однако, по разным причинам, в том числе достаточно объективным, эти требования не всегда вовремя выполняются и при продолжительных сроках эксплуатации месторождений в недрах накапливаются большие объёмы ранее выработанных пространств, состояние которых начинает внушать опасение с точки зрения их устойчивости и негативного воздействия на безопасность продолжения горных работ.

Подобная ситуация возникла в 70-х годах на рудниках слюдяной промышленности в условиях Ёнских, Мамских и Алданских месторождений, где к этому времени объёмы пустот от ранее отработанных участков месторождений достигли огромных размеров и меры по их погашению или изоляции требовали весьма существенных затрат времени и материальных средств.

С другой стороны, учитывая специфику месторождений, наличие изолированных разработанных жил, высокопрочных пород, небольших глубин, неосвоенных и малоценных в хозяйственном отношении территорий и дневной поверхности возникли справедливые сомнения в целесообразности погашения всех выработанных пространств, при этом выявилась необходимость оперативной оценки и прогноза степени устойчивости отработанных участков с целью выбора и обоснования рациональных методов их погашения или изоляции, экономичных, но обеспечивающих безопасную дальнейшую работу горного предприятия.

Как следует из поставленной задачи, наиболее рациональным методом получения необходимой информации в данных условиях было проведение широких визуальных обследований, поскольку организовать какие-либо представительные инструментальные наблюдения и измерения в выработанном пространстве было, практически, невозможно и небезопасно.

Для решения поставленных задач, прежде всего, была проведена паспортизация пустот, для чего на основании имеющейся графической геолого-маркшейдерской документации были составлены специальные таблицы, в которых приведены данные о геологических параметрах отработанных жил, сроках отработки, размерах выработанных пространств, их характерных особенностях (наличии или отсутствия связи с соседними отработанными участками, виде применявшейся системы работ, наличии породы, целиков или крепи в выработанном пространстве, мощности покрывающей толщи, характеристики дневной поверхности и пр.).

По результатам анализа этих данных были намечены участки для визуального обследования выработок. При этом основным принципом являлся выбор участков с аномальными, наиболее неблагоприятными сочетаниями горно-геологических условий, например, развитием геологических нарушений, ярко выраженной трещиноватости, наличием ослабленных контактов пород и пород с пониженной прочностью. С другой стороны, особое внимание уделялось участкам массива, в наибольшей степени ослабленным горными выработками.

Исходя из этого, для визуального обследования оказалось целесообразным в данном случае выделять выработанные пространства с наибольшими размерами по простиранию, падению и мощности залежей, расположенные на небольшом расстоянии от дневной поверхности, а также, наоборот, на самой большой глубине разработки рассматриваемого месторождения.

При таком подходе выводы в отношении их устойчивости обладают максимальной общностью и могут быть с известным «коэффициентом запаса» распространены на другие участки с более благоприятными условиями.

Основной особенностью процесса потери устойчивости пород в условиях скальных массивов является доминирующая роль разрушений пород над их деформированием и, как следствие, образование вокруг выработок «ослабленной зоны», из пределов которой возможно вывалообразование

Исходя из этого главной задачей натурных обследований выработок визуальными методами в этих условиях является, в первую очередь, выявление и документирование участков разрушений пород в выработках В то же время по виду разрушений, их масштабу и приуроченности к тем или иным структурным элементам массива можно с достаточной надежностью оценить уровень напряженности массива, а также размеры и направление действующих сил, если последние достигают значений, близких к пределу разрушения пород или к предельной прочности крепи.

Вследствие этого при проведении визуального обследования состояния горных выработок, прежде всего, отмечаются признаки, свидетельствующие о степени напряжённости массива и формах потери устойчивости обнажений пород. С этой целью в кровле и стенках выработок фиксируются наличие раскрытых, зияющих трещин, заколов и вывалов с оценкой их размеров и характеристикой боковых поверхностей, наличие или отсутствие крепи в выработках, её состояние.

В частности, очень удобно оценивать степень устойчивости кровли выработок по состоянию штанговой крепи, так как в случае вывалов и отслоений штанги обнажаются и по величине обнажённой части можно достаточно надёжно судить о размерах отслоений. На рис.5.3, в качестве примера приведены фотографии кровли очистных камер на руднике, из которых следует, что в показанных местах вывалов и отслоений не происходило, по крайней мере с момента установки штанг.

а Фото, рис5.1 монография «Устойчивость горных выработок», стр.107

б Фото, рис5.1 монография «Устойчивость горных выработок», стр.107

Рис.5.3. Вид кровли очистных камер, закреплённых деревянной (а) (рудник «Витимский» комбината «Мамслюда») и металлической (б) штанговой крепью (рудник«Ёна» комбината «Ковдорслюда»).

 

Также о проявлениях наиболее опасных растягивающих деформаций в стенках или кровле выработок можно судить по состоянию набрызг-бетонной крепи, поскольку её поверхность достаточно гладкая и даже небольшие трещины будут очень хорошо заметны.

Особое внимание при визуальном обследовании следует обращать на состояние сопряжений выработок, а также внутриблоковых и междукамерных целиков, так как именно в этих участках массива с особой интенсивностью проявляются разрушения пород вследствие концентрации напряжений и с этой точки зрения подобные участки являются своеобразными индикаторами состояния массива.

Если в в результате проведенного визуального обследования устанавливается, что в большинстве случаев разрушение происходит по крупным естественным трещинам с хорошо просматриваемыми следами на их стенках, а преобладающие формы потери устойчивости выработок представляют собой вывалы с линейными размерами свыше 1 м, то, следовательно, напряжённость данного участка невысокая, уровень действующих напряжений достаточен лишь для скола по поверхностям крупных трещин (структурных неоднородностей III-II - го порядков), обладающих весьма низкими прочностными характеристиками (величиной сцепления [t] < 10 кг/см²) (рис. 5.4).

Фото, рис5.2 монография «Устойчивость горных выработок», стр.108

Рис. 5.4. Образование заколов в кровле подготовительной выработки на участке, характеризующемся невысокой напряжён-ностью массива пород (рудник «Плотина», комбинат «Карелслюда»).

 

 

Увеличение числа вывалов с одновременным уменьшением их линейных размеров свидетельствует о повышении значений действующих напряжений в массиве, при этом учащаются случаи, когда на гранях вывалов не заметно следов минералов-заполнителей трещин, а сами грани представлены весьма шероховатыми поверхностями.

Весьма существенную информацию о характере напряжённого состояния массива пород и, в частности, его высокой напряжённости могут дать данные об интенсивных проявлениях горного давления: обильных вывалах, происходящих сразу же за отбойкой пород, внезапных обрушениях, толчках, стреляниях пород и др., имеющих место во время отбойки блоков. Зачастую единственными способами получения подобной информации являются просмотр первичной полевой геолого-маркшейдерской документации или даже непосредственный опрос рабочих бригад, проходивших выработку.

О высокой степени напряжённости массива пород могут также свидетельствовать специфические формы поперечного сечения, которые приобретают обычные сводчатые выработки в результате разрушения пород в кровле под воздействием статических напряжений. В некоторых случаях даже удаётся определить ориентировку в пространстве тех сил, которые обусловливают высокие напряжения.

Таким образом, массовое визуальное обследование выработок на площади всего месторождения обеспечивает получение ничем незаменимой информации о характере поля напряжений в массиве. Обследование состояния выработок и фиксация при этом участков локальных разрушений пород, их пространственной ориентировки позволяют выявить предварительную характеристику поля напряжений, а именно, оценить, является ли оно гидростатическим или негидростатическим; насколько оно однородно, к горизонтальному или же к вертикальному направлению приближается направление наибольшего сжимающего напряжения (при негидростатическом поле); если это напряжение горизонтально - то в каком направлении оно ориентировано.

Все полученные данные позволяют создать качественную картину процессов потери устойчивости выработок в массивах пород и выявить преобладающие виды разрушений пород и формы потери устойчивости выработок.

В конкретных условиях слюдяных месторождений в результате проведенных визуальных обследований удалось оценить предельные размеры обнажений, склонных к самообрушению. Из сопоставления этих размеров с фактическими размерами конкретных выработанных пространств, были выделены те из них, где возможно обрушение и, наоборот, выявлены многие выработанные пространства, где обрушение невозможно.

Для устойчивых пространств в качестве мер изоляции назначались наиболее экономически эффективные мероприятия в виде заградительных перемычек в горных выработках или ограждений на дневной поверхности.

Для пространств, склонных к обрушению подбирались экономичные методы изоляции, исходя из степени опасности возможных обрушений. В наиболее опасных случаях, когда нельзя было исключить вероятность одновременного обрушения 60-70% площади отработанного пространства и поэтому была возможность возникновения воздушных ударов на основании специальных расчётов определялись параметры мощных перемычек или же принимались решения о подрыве пород кровли и заполнении выработанного пространства.

Благодаря применению указанного подхода были найдены рациональные технические решения возникшей проблемы, позволившие обеспечить безопасность дальнейшей эксплуатации слюдяных месторождений и при этом получена весьма солидная экономия средств.

 

В заключение необходимо отметить, что визуальные наблюдения могут (и должны) выполняться практически без специальных затрат времени штатными сотрудниками горного предприятия - горными мастерами, работниками надзора и т.д. во время выполнения ими обычных служебных обязанностей и от того, насколько они будут представлять суть происходящих в массиве процессов в прямой степени будет зависеть решение стоящих перед ними задач, а иногда и жизнь вверенных им горняков.