Горное давление

Горное давление — это совокупность напряжений, возникающих в массиве горных пород в результате естественных геологических процессов (гравитационных, тектонических, тепловых) и техногенного воздействия при ведении горных работ. Горное давление является одним из основных факторов, определяющих устойчивость горных выработок, безопасность ведения горных работ и выбор способов управления состоянием массива.

Природа и происхождение

Горное давление обусловлено действием нескольких природных сил. Основным компонентом является гравитационное (геостатическое) давление, вызванное весом вышележащей толщи пород. Его величина приблизительно равна произведению плотности пород на глубину залегания и ускорение свободного падения. Вторым важным компонентом является тектоническое давление, возникающее в результате движений земной коры (сжатия, растяжения, сдвига). В тектонически активных регионах оно может значительно превышать гравитационное. Третий фактор — тепловое давление, связанное с изменением температуры пород с глубиной, а также с тепловыделением при геохимических и радиоактивных процессах.

Классификация

Горное давление классифицируют по нескольким признакам. По происхождению выделяют первичное (естественное) и вторичное (вызванное горными работами) давление. По характеру проявления различают статическое (постоянно действующее) и динамическое (внезапное, импульсное) давление. По направлению действия — вертикальное и горизонтальное (боковое). По способу передачи — давление, передающееся через сплошную среду (породы), и давление, передающееся через отдельные блоки или частицы (например, в сыпучих породах).

Виды проявлений

Проявления горного давления в горных выработках многообразны:

• Сдвижение пород — плавное или ступенчатое смещение массива в сторону выработки.
• Обрушение — внезапное падение кусков породы с кровли или стенок выработки.
• Вывалы — локальные отрывы породы по трещинам.
• Горные удары — внезапное, хрупкое разрушение массива с выделением упругой энергии, часто сопровождающееся выбросом породы и газа.
• Пучение почвы — выдавливание пород из почвы выработки под действием вертикального давления.
• Заклинивание крепи — деформация или разрушение элементов крепи под нагрузкой.
• Повышенное газовыделение — в угольных шахтах горное давление может способствовать выделению метана из угольных пластов.

Факторы, влияющие на горное давление

Величина и характер проявления горного давления зависят от ряда факторов:

• Глубина разработки — с увеличением глубины давление возрастает линейно.
• Физико-механические свойства пород — прочность, упругость, пластичность, трещиноватость, влажность.
• Геологическое строение — наличие складок, разломов, зон дробления, тектонических нарушений.
• Размеры и форма выработки — чем больше пролёт выработки, тем выше давление на её кровлю.
• Способ проведения выработки — буровзрывной, комбайновый, щитовой.
• Время — после проведения выработки горное давление обычно возрастает и достигает максимума через определённый период (время релаксации).

Управление горным давлением

Управление горным давлением — комплекс мер, направленных на обеспечение устойчивости горных выработок и безопасность работ. Основные методы включают:

Крепление выработок

Установка искусственных опор (крепи) для восприятия нагрузок от массива. Типы крепи:

• Деревянная — для временных выработок и малых глубин.
• Металлическая арочная — для выработок средних глубин.
• Железобетонная и бетонная — для капитальных выработок.
• Анкерная — закрепление пород в массиве с помощью стержней (анкеров).
• Комбинированная — сочетание различных типов.

Оставление целиков

Оставление нетронутых участков массива (целиков) между выработками для восприятия давления. Недостаток — потеря полезного ископаемого.

Закладка выработанного пространства

Заполнение пустот после выемки полезного ископаемого пустой породой или специальными материалами (закладочная смесь). Снижает нагрузку на целики и предотвращает сдвижение пород.

Разгрузка массива

Создание искусственных полостей (камер, щелей) для перераспределения напряжений. Применяется для борьбы с горными ударами.

Буровзрывные работы

Специальные схемы взрывания, снижающие сейсмическое воздействие на массив.

Методы изучения

Изучение горного давления ведётся натурными и лабораторными методами:

• Натурные измерения — установка датчиков давления, деформаций, напряжений в выработках и скважинах.
• Моделирование — физическое (на эквивалентных материалах) и математическое (метод конечных элементов, метод граничных элементов).
• Геофизические методы — сейсмическое просвечивание, акустическая эмиссия, радиоволновое зондирование.
• Геомеханическое районирование — выделение участков массива с различной степенью опасности проявлений горного давления.

История исследований

Первые научные работы по горному давлению относятся к XVIII–XIX векам, когда в связи с развитием горной промышленности возникла необходимость объяснения причин обрушений и деформаций выработок. В России основоположниками исследований считаются А. А. Борисов, В. Д. Слесарев, М. М. Протодьяконов. В XX веке были разработаны теории упругого и пластического поведения массива, методы расчёта крепи, а также способы прогноза горных ударов. В настоящее время исследования сосредоточены на создании автоматизированных систем мониторинга, использовании методов искусственного интеллекта для прогнозирования опасных ситуаций и разработке новых материалов для крепи.

Значение в горном деле

Горное давление является ключевым фактором, определяющим:

• Безопасность — неправильный учёт давления ведёт к авариям, травматизму и гибели людей.
• Экономику — затраты на крепление и управление давлением составляют значительную часть себестоимости добычи.
• Технологию — выбор способа разработки, размеров выработок, порядка ведения работ.
• Экологию — сдвижение пород может вызывать деформации земной поверхности, провалы, нарушение гидрогеологического режима.

Интересные факты

• На глубине более 1000 метров горное давление может достигать 25–30 МПа (250–300 атмосфер), что сопоставимо с давлением воды на глубине 2–3 км.
• Самый мощный горный удар в истории произошёл в 1960 году на шахте «Киргизская» (Кузбасс), где было разрушено несколько выработок и погибли горняки.
• В России действует система обязательного прогноза горных ударов для всех шахт, разрабатывающих пласты, склонные к этому явлению.
• Метод анкерного крепления, изначально разработанный для горных работ, впоследствии был адаптирован для строительства тоннелей и подземных сооружений.

Источники

• Борисов А. А. «Механика горных пород и массивов». — М.: Недра, 1980.
• Протодьяконов М. М. «Горное давление и управление им». — М.: Горное дело, 1926.
• Слесарев В. Д. «Основы механики горных пород». — М.: Углетехиздат, 1954.
• «Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к горным ударам» (РД 05-328-99).
• Каретников В. Н., Ковалёв О. В. «Геомеханика». — СПб.: Горный университет, 2015.