РАЗДЕЛ 2
ПУЧЕНИЕ ПОРОД ПОЧВЫ ПРОТЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И БОРЬБА С НИМ
2.1. Развитие представлений о механизме пучения пород в почве выработок
Процессы пучения пород широко известны в горнорудной промышленности, они
наблюдаются при строительстве шахт, метро и железнодорожных тоннелей. Однако
наиболее распространено пучение пород в угольной промышленности. Пучение горных
пород представляет собой разновидность деформаций вмещающих пород в выработках,
которые практически обнаруживаются как естественный процесс значительного
уменьшения поперечного сечения выработок с нарушением крепи и шахтных путей,
происходящий, в основном, за счет пород почвы.
Пучение пород – это один из наиболее распространенных видов проявлений горного
давления, однако эффект вспучивания пород почвы в подземных выработках является
до сих пор недостаточно изученным, несмотря на значительное количество
исследований, выполненных в этой области. Сложность проблемы горного давления
вообще и пучения в частности не позволила до сих пор найти универсальных
решений, которые бы полностью и повсеместно удовлетворяли требованиям
промышленности. В одних случаях одни и те же способы эффективны, а в других –
бесполезны. Это является, скорее всего, следствием неправильного подхода к
различным случаям проявления пучения пород почвы в выработках, когда не
учитывается физическая суть исследуемого феномена. Поэтому изучение различных
форм проявления пучения пород, анализ имеющихся представлений о механизме
вспучивания и разработка на этой основе конкретных мер борьбы, соответствующих
этим явлениям, представляет собой важную техническую задачу, направленную,
прежде всего, на снижение себестоимости добываемого угля.
Пучение имеет разнообразные формы, степень проявления, скорость развития и
зависит от многих факторов. В более метаморфизованных породах пучение в
выработках, расположенных вне зоны влияния очистных работ, имеет затухающий
характер и характеризуется сравнительно невысокой интенсивностью и скоростью
развития. В менее метаморфизированных породах при соответствующей глубине и
влажности этот процесс чаще всего является незатухающим. В выработках же,
расположенных в зоне влияния лавы, интенсивность и скорость пучения пород
независимо от их метаморфизации значительно возрастают, а сам процесс зачастую
приобретает определенные особенности, например, цикличность при способе
управления кровлей в очистном забое полным обрушением.
В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих причину
выдавливания пород в горных выработках (пучения):
набухание пород под действием влаги;
увеличение объема пород в зоне неупругих деформаций вследствие их пластического
разрыхления;
выпирание пород под влиянием опорного давления в боках выработки;
вязкое течение пород в результате неравновесного состояния массива в почве
выработки;
сорбционное набухание пористых газонасыщенных сред;
потеря упругопластической устойчивости пород в области неупругих деформаций и
т.д. [17, 28, 31 и т.д.].
Впервые упоминание о пучении пород в горных выработках появилось, по нашим
сведениям, в 1923 г. В своей работе Б.И.Бокий отмечал: вздувание почвы является
результатом выдавливания мягких пород из-под пят околоштрековых целиков.
Касаясь пучения пород, М.М.Протодьяконов ограничивается только пояснением
отдельных случаев: физического напитывания некоторых пород водой, химического
соединения пород с водой, пучения соленосных мергелей под действием влажного
рудничного воздуха, увеличения в объеме мергеля с тонковкрапленным серным
колчеданом вследствие окисляющего действия кислорода воздуха.
Н.М. Покровский [25] указывает, что пучению подвержены породы, которые по
своему типу могут быть отнесены к пластичным. Горное давление в этих породах,
характеризующихся малой механической прочностью, зависит от их упругих свойств
и наличия воды. В зависимости от водопоглощающих свойств пород вода увеличивает
их объем, что способствует росту давления и пучению почвы. Основная же причина
деформации почвы – давление вышележащих пород и обусловленное им действие в
почве напряжений.
В 1927 г. М.И. Евдокимов-Рокотовский [26], исходя из практики тоннелестроения,
отмечал, что горное давление, направленное снизу вверх, возникает при
непосредственном участии боковых сил; при этом слабые нарушенные или
полуразрушенные породы почвы выпираются кверху, что особенно наглядно при
пластовом залегании пород.
Профессор Белов В.И., начиная с 1927 г., в своих работах также обращал внимание
на явление пучения и на сложности деятельности горных инженеров в условиях
пучащих пород, Высказывая предположения о возможных причинах пучения, автор
дает и некоторые рекомендации по борьбе с этим явлением [29, 30].
П.М. Цимбаревич [31] рассматривает механическую сторону пучения как возможное
давление на крепь со стороны почвы в условиях равновесия системы “крепь -
горная порода”. В основу представления о природе выдавливания пород в горные
выработки автором положена аналогия выпирания грунта из-под штампа, причем в
качестве опорного давления по бокам выработки принимается вес столба породы от
подошвы до ключа свода естественного равновесия.
Однако, метод. П.М. Цимбаревича хотя и объясняет в известной степени
наблюдаемую на практике картину явления, в сущности своей схематичен и не
отражает природы процесса прежде всего потому, что рассматривается статическая
механическая задача, в то время как в действительности имеет место непрерывный,
развивающийся во времени, процесс движения горных пород.
Подобным же образом В.Д. Слесарев [36] рассматривал давление со стороны почвы
выработки как боковой распор второго порядка (рис. 2.
- Київ+380960830922