Необходима единая теория горных ударов и землетрясений



Предыдущая | Следующая

 

Необходима единая теория горных ударов и землетрясений Существующие методы прогноза землетрясений, основанные на регистрации сопутствующих землетрясениям явлений, не надежны, поскольку причинная связь этих явлений с землетрясениями недостаточно изучена по той простой причине, что о природе землетрясений и по настоящее время многое еще не известно.
Таким образом, чтобы повысить надежность существующих методов прогноза, в первую очередь необходимо углубить знания о природе (физике) самих землетрясений. Одна из главных причин, препятствующих решению данной проблемы, связана с отсутствием возможности непосредственного осмотра очагов землетрясений после их происшествия. Однако в природе встречаются явления, позволяющие если не полностью, то по крайней мере в значительной степени восполнить этот пробел.
Исследуя проблему горных ударов и кинематику образования штамповых складок [1], мы пришли к выводу, что природа землетрясений и горных ударов тождественна и что горные удары следует рассматривать как уменьшенную модель землетрясений. Как известно, о природе происхождения горных ударов можно получить более обширную информацию, нежели о землетрясениях, хотя бы только потому, что во многих случаях очаги прошедших горных ударов и окружающий их массив доступны для визуального обследования.
Естественно, что при наличии такого источника информации надежность исследования тех или иных процессов, сопутствующих горным ударам, несравненно более высока, чем при исследовании аналогичных процессов при землетрясениях. Если, однако, до настоящего времени проблема горных ударов интересовала лишь горняков, то это результат ошибочного взгляда на горные удары, как на следствие ведения горных работ с нарушениями.
Целью настоящей статьи является показ несостоятельности существующей теории горных ударов с позиции современных представлений о свойствах массива горных пород, что в дальнейшем позволит более обоснованно поставить вопрос об единстве природы происхождения горных ударов и землетрясений с вытекающими из этого последствиями, вплоть до возможности разработки надежных методов прогноза землетрясений. По данным наших предварительных результатов исследований, более достоверным признаком прогноза землетрясений по сравнению с существующими, может стать, например, установленная нами закономерность накопления и реализации энергии в очаге горных ударов (землетрясений).
Как известно, существующая теория горных ударов сформулирована еще в период полного господства в геологии фиксизма, когда земная кора рассматривалась как сплошная и упругая, неизменная в пространстве и времени среда. Все, что противоречило этим положениям, считалось случайным и отвергалось. Считалось также, что значительная концентрация напряжений тектонического происхождения в течение геологических периодов неизбежно должны были исчезнуть, так как тектонические нарушения приводят, якобы, к разрядке напряжений. Допускалось также, что путем выбора масштаба можно «уходить от структурных нарушений реальной среды» и т.д.
Причины возникновения горных ударов увязывались исключительно с изменением микроструктуры горных пород, влиянием глубины разработки, формой и размерами горных выработок, техногенными факторами и др. [2].
Анализ многочисленных случаев проявления всех типов горных ударов на шахтах (в том числе на Ткибули-Шаорском месторождении), рудниках, карьерах и плывунах с позиций неомобилизма, результаты визуальных обследований очагов прошедших горных ударов на ткибульских шахтах позволил нам прийти к выводу, что существующая теория горных ударов устарела и пришла в несоответствие с современными представлениями о свойствах массива горных пород.
Стало очевидным, что при исследовании проблемы горных ударов необходимо учитывать не сглаженные, а реальные свойства массива как раздельно блочной среды, в которой каждое структурное образование находится в своем энергетическом состоянии, от стабильного до неустойчивого. Напряжения в массиве распределены неравномерно, изменяются в пространстве и во времени, достигая максимумов в межблочных структурах и т.д. Было установлено, что в зависимости от рассмотрения одних и тех же случаев горных ударов в идеализированной и реальной средах причины их возникновения различны.
С учетом вышеизложенного нами теоретически и в значительной мере, экспериментально исследованы вопросы, позволяющие сформулировать новый взгляд на проблему горных ударов. В соответствии с существующей теорией горных ударов, поскольку в ней массив рассматривается как упругая среда, в начале вокруг горной выработки происходит концентрация напряжений, а вслед за разрушением перенапряженной части массива следует процесс сдвижения горных пород по плоскостям тектонических нарушений, образование в упругой среде новых трещин. Таким образом, в существующей теории сдвижение горных пород является следствием горного удара, а не причиной его возникновения [2].
Анализ условий формирования горнотектонических, региональных и глубинных палеотектонических горных ударов [3] (на Ткибули-Шаорском месторождений региональных и горно-тектонческих) показал, что очаги перечисленных выше типов горных ударов возникают не в сплошной, а в блочной среде, в местах интенсивного развития тектоники, в активных геодинамических зонах. Часто очаги расположены в плоскостях разрыва, в местах их пересечения или в их окрестностях. Установлено также, что горным ударам предшествует процесс «оживления» тектонических трещин и разрывов. Вслед за этим процессом следует процесс перемещения структурных образований относительно друг друга по плоскостям тектонических нарушений. Причем эти перемещения носят необратимый характер, происходят не плавно, а скачкообразно, периоды максимальной интенсивности развития процесса сдвижения горных пород предшествуют или совпадают с наибольшей активностью проявления горных ударов [2].
Таким образом, сдвижение горных пород при горных ударах происходит не за счет их упругого расширения, как это утверждается существующей теорией, а за счет перемещения всего структурного образования одновременно. Каналами перемещения структурных образований служат плоскости тектонических нарушений, оконтуривающие эти геологические тела. Активизация сдвижения горных пород не следует за горными ударами, а предшествует им.
Как явствует из существующей теории, поскольку горные удары рассматриваются как явление, происходящее в сплошной и упругой среде, они возникают в окрестностях горных выработок, в краевых частях пласта. Результаты наших исследований в условиях Ткибули-Шаорского месторождения, где отнюдь не редко происходят горно-тектонические горные удары, а также анализ аналогичных случаев горных ударов на других месторождениях, изучение фактов проявления глубинных и палеонтологических горных ударов показал, что упомянутые типы горных ударов формируются («зреют») в нетронутом массиве в изолированных участках задолго до проведения горных выработок. Последние лишь инспирируют это явление, выполняя роль спускового механизма.
Результаты исследования вполне закономерны. В раздельно-блочной среде, каковой в действительности является массив горных пород, местоположение очага удара предопределяется не местом нахождения горной выработки, а особенностями структурного строения пласта. В существующей теории механизм взаимодействия системы «вмещающие породы – пласт» рассматривается как процесс, происходящий в сплошной и упругой среде, а его содержание отражает не более чем реакцию упругосжатой среды на внешние воздействия [2]. В реальных условиях, однако, воспроизводство изложенной кинематики разрушения пласта исключается по той простой причине, что массив горных пород над очаговой зоной интенсивно изрезан тектоническими нарушениями, а сам очаг часто расположен в плоскости разрыва. За пределами этой зоны кровля и почва, как правило, представлены прочными ненарушенными породами.
Следовательно, если при горных ударах имеют место колебания пород кровли, то они происходят за пределами очаговой зоны и, естественно, никакого влияния на очаг оказать не могут.
Если механизм взаимодействия вмещающих пород с пластом угля (руды, породы) рассматривать как процесс, происходящий не в упругой, а в раздельно-блочной среде (каковой, на самом деле, является массив горных пород), тогда оценка характера взаимодействия элементов системы «вмещающие породы – пласт» будет качественно иной.
Шахтные наблюдения за поведением массива горных пород, визуальные обследования мест проявления горных ударов позволили установить, что горно-тектоническим, региональным и глубинным горным ударам предшествует или одновременно с ними протекает процесс мгновенной подвижки горных пород по плоскостям тектонических нарушений. «Мгновенные», «скачкообразные» подвижки горных пород завершаются обычным механическим ударом по пласту угля (руды, породы). Таким образом, поскольку перемещение структурных образований носит скачкообразный, мгновенный характер, очаг воспринимает не упругий удар ранее сжатых пород кровли, а механический удар извне, со стороны мгновенно перемещающихся по плоскостям тектонических нарушений структурных образований.
Как известно, к числу нерешенных вопросов проблемы горных ударов относится и вопрос о механизме «мгновенного взрывного» разрушения горных пород в очаге удара [4]. В соответствии с существующей теорией горный удар – это хрупкое разрушение предельно напряженной части массива в зоне влияния горных выработок в результате превышения скорости изменения напряженного состояния в этой части массива над предельной скоростью релаксации напряжений в ней. Как следствие этого, в качестве непосредственной причины возникновения горных ударов принимается условие, когда коэффициент хрупкости N больше единицы (N>1). Известно, однако, что время релаксации горных пород, в том числе и угля, исчисляется не секундами, а месяцами и годами.
Следовательно, если даже и будет соблюдено условие N>1, динамический характер разрушения угля (руды, породы) в очаге удара не произойдет, иначе говоря, горного удара не будет.
Нашими исследованиями установлено, что механизм разрушения горной массы (представленной в виде угольной, рудной или породной толщи) в очаге удара всецело предопределяется явлением хрупкого самоподдерживающего разрушения с той лишь разницей что в очаге вместо волны разгрузки возникает волна давления [5].
Природу горных ударов определяет не только последовательность процессов, происходящих в толще массива горных пород, механизм разрушения угля (руды, породы) в очаге удара, но и скорость удара.
В существующей теории горных ударов ничего не говорится о скоростях удара, при которых взрывоподобное разрушение пород в очаге удара неминуемо. Упоминается лишь мгновенный характер этих скоростей, однако этого недостаточно.
Ничего не сказано о тех параметрах, которые влияют на величину этой скорости.
Нашими исследованиями минимальная скорость удара, выше которой разрушение толщи в очаге неминуемо, определяется из условия, что энергия удара W горных пород массой М и скоростью V достаточна, чтобы разрушить очаг. С другой стороны, эта же энергия затрачивается на разрушение той же очаговой зоны, если V уменьшить до Vmjn, a M увеличить до М+m.
Минимальная скорость (V min), при которой толща пород в очаге удара разрушается бурно, определяется по зависимости [4]:
где:??? с, mi – соответственно, предел прочности (Па), скорость распространения упругой волны (м/с), масса (кг) и модуль Юнга (Па) толщи в очаге удара.
Поскольку в существующей теории горных ударов массив горных пород рассматривается как сплошная и упругая среда, а причины возникновения горных ударов увязываются исключительно с изменением микроструктуры горных пород, то и энергия горного удара трактуется как энергия упругого сжатия, накапливаемая пластом угля (руды, породы) и узкой полосой пород, прилегающих к очагу горного удара [6].
Сопоставление положений существующей теории и закрытой энергетической системы показывает, что они совпадают.
Если исходить из положений существующей теории, то при горных ударах, как и в закрытой энергетической системе, действуют лишь две силы – сила гравитации и упругая сила. Поэтому полная механическая энергия горного удара Еn должна быть неизменной.
В соответствии с существующей те где Еу и Епор – соответственно, потенциальная энергия (Дж), заключенная в пласте угля (руды, пород) и прилегающих к очагу горного удара горных породах; V – объем угля (м3) (руды, породы), подвергающийся разрушению при ударе;??ср – среднее напряжение (Па), действующее в пласте угля (руды, породы); S – площадь пласта (м2); 2h – мощность пласта (м); k- модуль упругости угля (руды, породы) (Па); 2хо – ширина выработки (м);??0 – максимальное относительное расширение пород при разгрузке; l0 = 0,4•2х0 = 0,2х0 – величина сближения боковых пород в результате их упругого расширения (м).
Как следует из формулы, энергия горного удара полностью определяется внутренними консервативными силами (увязывается с прочностью угля, его упругими свойствами и размерами области разрушения), а влияние внешних сил, способных изменить баланс энергии горного удара, исключается.
Наконец, в случае действия в изолированной энергетической системе неконсервативных (диссипативных) сил Еn системы, как известно, уменьшается на величину выполненной этими силами работы.
Изложенное должно быть справедливым и по отношению к горным ударам если их вновь рассматривать с позиции закрытой энергетической системы, поскольку энергия горного удара в существующей теории ограничивается пределом упругих деформаций. Тогда под влиянием диссипативных сил накопленная в очаге удара упругая энергия должна уменьшаться в соответствии с упомянутой выше закономерностью, т.е. должно удовлетворяться равенство (3).
Однако если, горные удары рассматривать с учетом не сглаженных, как это принято в существующей теории, а реальных свойств массива, о которых уже говорилось, тогда горные удары должны быть отнесены не к закрытой, а открытой энергетической системе. Если в соответствии с существующей теорией при горных ударах действуют лишь две силы, то в реальных условиях (поскольку перемещение структурных образований в массиве носит необратимый характер) при горных ударах, помимо гравитационных и упругих сил, должны действовать и силы трения. Это значит, что Еn при горных ударах не может быть постоянной, как это следует из существующей теории. На самом деле часть энергии будет затрачиваться на преодоление внутренних сил, что является неопровержимым доказательством того, что система претерпевает изменения.
Принадлежность горных ударов к открытой энергетической системе довольно наглядно иллюстрируется также результатами многочисленных лабораторных исследований на образцах горных пород, подвергавшихся разрушениею под прессом [6]. Установлено, что энергия, запасенная в образце на пределе прочности, полностью расходуется на деформирование и разрушение материала образца и не переходит в другие виды энергии, связанные с динамикой разлетающихся осколков или колебательными процессами в нагружающем устройстве.
Источниками динамических эффектов при разрушении является энергия, запасенная в нагружающем устройстве, т.е.
энергия, поступающая в образец, как и при горных ударах, извне.
Таким образом, энергия в очаге горного удара не накапливается в пределах упругих деформаций. Это значит, что при горных ударах изменение Еn составит ту работу, которую совершают внешние силы, т.е.:
En?? En2?? En1?? A .
что свойственно открытой системе. В то время как в соответствии с существующей теорией горных ударов удовлетворяется равенством (3).
Теперь уже не трудно сформулировать способ расчета энергии горного удара.
где М, а – соответственно масса (кг) и ускорение (м/сек2) внешнего тела, оказывающего воздействие на очаг (a=V/t; V=l/t);
F-сила (Н), перемещающее внешнее тело на расстояние t (м); /-величина перемещения этого тела в момент совершения работы(м); V-скорость (м/сек2); t – время (сек) воздействия внешнего тела на очаг.
Тогда с учетом формулы (4), изменение энергии составит (6):
En2?? En1?? mVl / t .
Таким образом, если явление горных ударов рассматривать с учетом тех особенностей, которые сопровождают горно-тектонические, региональные и глубинные горные удары, т.е. с позиции открытой энергетической системы, тогда следует утверждать, что энергия горного удара будет определяться не внутренними консервативными силами (увязываются с прочностью угля, его упругими свойствами, размерами горной выработки и области разрушения), а внешними неконсервативными, т.е. диссипативными силами. Это значит, что энергия в очаге горного удара не накапливается в пределах упругих деформаций, а сносится в очаг извне, из окружающих его структурных образований, где каждое последующее структурное образование по отношению к предыдущему является внешним телом. Из формулы (6) следует, что эта энергия прямо пропорциональна массе, скорости перемещения и величине перемещения этой массы, являющейся внешним телом по отношению к очагу, и обратно пропорциональна времени воздействия внешнего тела на очаг.
В теории горных ударов вопрос о характере распределения энергии в очаге удара является одним из ключевых [7].
Сразу отметим, что в зависимости от того, рассматривается ли массив горных пород как идеализированная или реальная среда, результаты исследования по данному вопросу взаимоисключающие.
Как следует из уравнения (2), полная энергия горного удара складывается из энергии упругого сжатия угольного пласта и вмещающих пород на площади S и высотой 2h+lo. В пределах этого объема накапливается энергия, равная энергии упругого сжатия угольного пласта. Следовательно, поскольку,??ср, Еу и Со величины постоянные, увеличение высвобожденной при горном ударе энергии должно происходить пропорционально размеру разрушаемой породы. Иными словами, плотность энергии при горных ударах по площади разрушения остается неизменной, т.е. соблюдается условие:
Анализ уравнений (2) и (7) на первый взгляд дает неожиданные результаты, хотя на самом деле они являются следствием искажения существующей теорией характера распределения энергий в очаге удара. В существующей теории горный удар трактуется как динамическое, внезапно, быстропротекающее явление (даже вводится показатель хрупкости N), однако, в уравнении (2) время протекания t отсутствует, что автоматически переводит горный удар в разряд статических явлений и, тогда становится совершенно непонятным механизм и время аккумуляции энергии в разрушающемся и окружающем массиве. Тот же вывод следует из уравнения (7). Как известно, в тех случаях, когда плотность энергия системы неизменна (U=const), т.е. взаиморасположение и состояние движения составляющих тел системы (в нашем случае системы «вмещающие породы-угольный (рудный, породный) пласт» неизменны, тогда система находится в статическом состоянии.
Таким образом, как из уравнения (2), так из уравнения (7), следует противоречащее природе горных ударов заключение, в соответствии с которым горный удар – это статическое явление.
Если допустить, что энергия горного удара – функция площади разрушения пород и плотность в очаге удара постоянна и лимитируется пределом упругих деформаций угольного пласта, тогда в соответствии с положением существующей теории следует считать, что, например, при региональных горных ударах упругий удар кровли по пласту на площадях порядка нескольких миллионов м происходит одновременно, что нереально.
Тем более что горные удары, как следует из существующей теории, происходят в зоне влияния горных выработок.
Не менее веским доводом в пользу наших утверждений являются и случаи горных ударов в прочных скальных породах на небольших глубинах, тогда как предельные нагрузки в таких породах могут быть достигнуты лишь на глубинах порядка 2-5 км.
В случае учета не сглаженных, а реальных свойств массива энергия горного удара, как было сказано выше, определяется уравнением (6). Входящие в это уравнение величины (m,t,V) переменные и, как следствие этого, плотность энергии в очаге удара не может быть постоянной и теоретически ограничиваться каким-то пределом.
Справедливость наших исследований в значительной степени подтверждается хорошо известным в сейсмологии законом гравитационной неустойчивости [8]. В соответствии с этим законом, как известно, система масс из устойчивого в неустойчивое состояние может перейти лишь при условии, если, вопервых, система обладает свободной потенциальной энергией, и, во-вторых, если в системе могут происходить направленные движения и перестроения, уменьшающие ее потенциальную энергию. Таким образом, наличие этих двух условий необходимо для возникновения неустойчивости и неизбежно приведет к движению. Правомерность изложенного мнения с наибольшей убедительностью иллюстрируется на примере кинематики образования штамповых складок [1].
Таким образом, если горные удары исследовать с позиции существующей теории, тогда надо признать, что горный удар – статическое явление (En=const) и, что только при увеличении размеров очага растет энергия удара. В соответствии с нашими доводами горный удар, несомненно, динамическое явление (En не равно const), а геометрические размеры очага не должны меняться пропорционально росту энергии горного удара.
В зависимости от плотности энергии в очаге может оказаться и наоборот.
Если случаи возникновения горных ударов в скальных породах на достигнутых глубинах разработки противоречат положениям существующей теории, то и эти случаи становятся вполне объяснимы, когда En не равно const.
На наш взгляд, изложенный в статье материал, который не является полным, дает право утверждать, что существующая теория горных ударов искажает суть горных ударов, рассматривает это явление упрощенно [9]. Хотя на самом деле, происходящие в массиве горных пород процессы, предшествующие горным ударам, а также процессы в самом очаге удара сложны и сопоставимы, как нам представляется, с аналогичными процессами, предшествующим и сопутствующим землетрясениям.
Список литературы 1. Бронгулеев В.В. Проблема складкообразования в земной коре. – М.: Недра.
– 1967.- С. 200-212.
2. Рехвиашвили Ю.С., Гордезиани З.А.
Причины возникновения горных ударов // Уголь. – 1993. – № 2,. С. 41-42.
3. Очеретенко И. А. Методическое пособие по изучению тектоники при разведке угольных месторождений. – СПб.:
Недра. – 1998. – с. 38
4. Рехвиашвили Ю.С. Механизм разрушения горных пород в очаге горного удара // Уголь. – 1991 № 11. – С. 51-52.
5. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.- М.:Недра. – 1976.- С.
473-474.
6. Рехвиашвили Ю.С, Гордезиани З.А.
Энергия горного удара // Уголь. – 1993.
-№ 3. – С. 31-32.
7. Рехвиашвили Ю.С. Плотность энергии в очаге горного удара // Уголь.- 1994.
– № 5.- С. 47-48.
8. Якоби В. Гравитационная неустойчивость и тектоника плит. Фундаментальные труды зарубежных ученых по геологии, геофизике и геохимии. – М.:
Мир. – 1976. – С. 39-40.
9. Рехвиашвили Ю.С. Необходима новая теория горных ударов // Уголь.
– 1997. – № 2. - С. 57-58.