А.Н. Роенко, доктор техн. Наук (ГГА Украины)
В экономике большинства стран мира проблема обеспечения потребностей в энергии является основной. Практически топливно-энергетический баланс отдельных стран определяется (в значительной степени и на ближайшее будущее) добычей и использованием традиционных видов минерального топлива: нефти, газа, угля, горючих сланцев. По данным Европейской экономической комиссии ООН, уголь составляет 93% мировых традиционных энергетических ресурсов, нефть – 4% и природный газ – 3% [1].
Поскольку в настоящее время более 60% мирового спроса на энергию удовлетворяется за счет нефти и природного газа, по мнению ряда специалистов известные мировые запасы нефти в течение ста лет будут исчерпаны на 80%, природного газа – на 70%, а угля – всего на 1%. А это значит, что еще долго уголь будет иметь большое значение для удовлетворения мирового спроса на энергию.
В топливно-энергетическом комплексе Украины за углем, как энергоисточником, давно закрепилось ведущее место. Учитывая относительную монопольность этого источника, которая обусловлена соответствующей структурой запасов различных видов топлива и усугублена свертыванием атомной энергетики, можно, не прибегая к специальным расчетам, прогнозировать что уголь еще многие годы сохранит свою приоритетность среди энергоносителей [2].Для удовлетворения внутренних потребностей Украины необходимо за 10 лет (к 2005 г.) довести добычу до 158 млн. т в год с последующим увеличением ее до 170 – 172 млн. т.
Анализ производственной деятельности шахт Украины, ведущих разработку на больших глубинах в условиях слабых вмещающих пород, показывает, что значительная часть протяжённых выработок постоянно находится в состоянии ремонта. На выполнении таких низкомеханизированных работ занято около 42 тыс. подземных рабочих. Структурно ремонты связаны прежде всего с ликвидацией последствий процесса пучения пород почвы в выработках (60%) и перекреплением (40%).
Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявлений горного давления. Оно широко известно в горно-рудной промышленности, наблюдается при строительстве шахт, метро и железнодорожных тоннелей, однако чаще всего проявления встречаются в угольной промышленности.
Добиться ощутимого снижения затрат, связанных с ликвидацией последствий пучения, довольно сложно, так как практически невозможно прогнозировать параметры, характеризующие его протекание. Существуют ряд гипотез, объясняющих причину выдавливания пород. На их основе, опираясь на опыт, разрабатываются способы и средства, обеспечивающие ликвидацию или снижение интенсивности этого процесса. [1]
Следовательно, изучение явления пучения горных пород в целях установления физических закономерностей, лежащих в его основе, и использование их для разработки мероприятий по борьбе с пучением – чрезвычайно важная научно-техническая задача. Классический подход к проблеме оценки устойчивости подземных выработок заключается в получении теми или иными методами картины напряженно-деформированного состояния прилегающего породного массива с последующим сопоставлением полученных максимальных напряжений и деформаций с предельно допустимыми. При этом используются различные критерии прочности в зависимости от механических свойств пород.
Однако наряду с отмеченным возможен и другой теоретический подход к исследованию, заключающийся в том, что в качестве критерия оценки устойчивости почвы принимается не понятие прочности системы крепь-массив, а понятие упруго-пластической устойчивости ее равновесного состояния. Остановимся на этом подробнее.
Свод выработки является конструкцией самоподдерживающейся. Форма свода такая, что напряжения в нем в процессе деформирования породного массива всегда остаются сжимающими. Почва же ведет себя иначе: со временем наблюдается ее искривление в сторону выработки, сопровождающееся выдавливанием породных слоев. Это искривление может оказаться настолько большим, что приведет даже к появлению зон растягивающих напряжений. Слоистая структура пород почвы может служить причиной отрыва верхнего слоя от массива и интенсивного его изгиба в сторону выработки. Факторы, способствующие отрыву, таковы. Верхний слой находится в состоянии продольного изгиба. Со стороны боковых пород на слой передаются значительные сжимающие усилия, которые стремятся изогнуть слой, увеличить его прогиб. На первом этапе сказывается и выдавливающее действие со стороны нижележащих слоев почвы, препятствует же отрыву лишь сцепление сними, но и оно не может быть больше, чем сопротивление породы разрыву. А, как известно, прочность горных пород на растяжение во много раз меньше прочности на сжатие.
Итак, допустим, что отрыв верхнего слоя основания возможен. За этим моментом следует лавинообразное нарастание прогибов, в центральной части слоя появляются значительные растягивающие напряжения, приводящие к его разрушению как конструкции. Принципиально важным является то обстоятельство, что в момент потери устойчивости слоя напряжения в нем могут не достигать предельных прочностных значений. Появление наблюдаемых продольных трещин в почве может происходить уже после потери его устойчивости.
Использование такого подхода позволило предположить две расчетные схемы, отражающие процесс потери устойчивости верхнего слоя пород почвы выработки. Согласно первой схеме рассматривалась задача о продольно-поперечном изгибе верхнего слоя основания, моделируемого полосой заданной толщины и имеющий начальный прогиб, обусловленный исходными несовершенствами формы выработки. В роли внешних нагрузок выступали, во-первых, сжимающие усилия с боков выработки и, во-вторых, усилия взаимодействия со стороны нижележащих слоев почвы. Таким образом, речь идет о продольно-поперечном изгибе слоя. Цель расчета по этой схеме – построение диаграммы деформирования пород почвы и нахождение критической точки, соответствующей моменту исчерпания несущей способности слоя. При достижении критической точки, т.е. при каком-то значении сжимающих усилий, происходит отрыв верхнего слоя основания, интенсивное «складывание» слоя с появлением трещин. Завершается процесс полным разрушением слоя как конструкции.
Второй возможный вид разрушения пород почвы выработки – резкий отрыв слоя (или части его) от основного массива. Для изучения использовалась бифуркационная модель, суть которой в следующем. В течение длительного времени наблюдается процесс плавного деформирования массива пород вокруг выработки. Этот процесс сопровождается монотонным нарастанием деформаций и, в частности, перемещений центральной части основания внутрь выработки. Процесс характеризуется однозначной зависимостью деформаций от обобщенного параметра нагрузки. Так происходит вплоть до наступления критического состояния равновесия. В критический момент слой приобретает способность скачкообразно перейти к искривленной форме равновесия без дополнительных внешних воздействий. Скачкообразный переход к смежным формам равновесия определяет бифуркацию.
Дополнительный изгиб (особенно в хрупких породах) при достаточно высоком достигнутом уровне напряженности неминуемо должен сопровождаться появлением трещин и разрушением. Выполненные согласно предложенным моделям аналитические исследования процесса потери устойчивости верхним слоем почвы выработки, а также исследования с использованием полученных зависимостей позволили определить основные закономерности, характеризующие процесс развития пучения и степень влияния на него различных факторов.
Обобщение результатов показало, что математическая модель, положенная в основу исследований, достаточно близко отражает поведение пород почвы в процессе пучения. Установленные зависимости раскрывают физическую природу этого явления и могут быть полезны при разработке мероприятий по повышению устойчивости выработок, сооружаемых в пучащих породах. Так, пучение почвы и потеря устойчивости выработкой происходят из-за прогиба породных слоев внутрь выработки под действием продольных сжимающих усилий . Находясь в состоянии, так называемого продольного изгиба, при достаточном уровне сжимающих усилий верхний слой отрывается от нижних, прогиб его увеличивается и за этим следует лавинообразное нарастание прогибов нижних слоев. В результате центральной части почвы появляются значительные растягивающие напряжения, приводящие к ее разрушению и образованию глубокой продольной трещины.
Анализируя изложенный механизм пучения, можно предположить следующее. Если нарушить целостность слоев по контуру выработки, то под действием сжимающих усилий верхний слой прогибаться вверх не будет, поскольку сжимающее действие продольных сил будет реализоваться в горизонтальной подвижке частей разрушенного слоя к центру выработки, а не вверх. Процесс задерживается на промежуток времени, определяемый интенсивностью подвижек и размерами разрушенной части слоя. Если деформирование пород имеет затухающий характер, то процесс пучения может вообще не наступить. Если же деформации пород не затухают, то после стыковки концов разрушенных слоев через некоторое время рост напряжений приведет к отрыву верхнего слоя от нижних и к пучению.
Таким образом, можно считать, что новый подход к исследованию и предложенные на его основе математические модели пучения вполне достоверно отражают процесс развития пучения и его физическую сущность. Они могут быть использованы для обоснования и разработки средств и способов борьбы с этим вредным проявлением горного давления.
1. Докукин А.В., Архипов Н.А. Прогнозирование научно-технического прогресса в угольной промышленности: проблемы, теория, методы. – М.: недра, 1981.
2. Янко С.В. Основные направления технического развития шахт Украины. Уголь Украины. – 1993. - №1.
3. Сургай Н.С. Основные направления деятельности Государственного комитета Украины по угольной промышленности. Уголь Украины. – 1993. - №1.