Общая характеристика свойств и состояния массива

Свойство горной породы - присущее ей качество, которое ха­рактеризует ее структуру или реакцию на внешнее воздействие.[15] Свойство может выражаться численным показателем, т. е. свой­ство имеет меру. В поиске, разведке, добыче и обогащении по­лезных ископаемых наиболее широко используют плотностные, коллекторские, механические, электрические, электромагнитные и акустические свойства.

Плотностные свойства характеризуют вещества в каком-либо объеме. Их используют при учете добычи полезных иско­паемых, в расчетах транспортирования угля и горных пород, а также обогащения.

Знание механических свойств горных пород позволяет пра­вильно выбрать технологию и средства механизации процессов добычи и обогащения полезных ископаемых. От механических свойств горных пород зависит выбор способа крепления и уп­равления кровлей в очистном забое или проведения горной вы­работки.

Электрические свойства горных пород используют для раз­ведки полезных ископаемых. Для этого в разведочных скважи­нах помещают электроды и пропускают через них электрический ток. По его величине рассчитывают удельную электриче­скую проводимость горной породы и по ней определяют тип горной породы. Так получают разрез горных пород по скважине. По замерам в нескольких скважинах определяют структуру за­легания пластов и пород на данном месторождении. Электриче­ские свойства горных пород используют также при стимулиро­вании осушения водоносных слоев, оттаивании мерзлых пород на карьерах.

Электромагнитные свойства пород используют для установ­ления границ рудных тел, полостей скопления соляного ра­створа, границ зон, опасных по горным ударам.[16]

Акустические свойства горных пород используют для опре­деления зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа, устойчивости целиков, границ между угольным пластом и вмещающими породами, трещиноватости и нарушенности мас­сива.

Термические (тепловые) свойства влияют на теплообмен по­род с шахтным воздухом, а, следовательно, на климатические условия в горных выработках. Они используются в термическом бурении скважин на карьерах, при подземной газификации угля.

При разработке полезных ископаемых те или иные свойства горных пород проявляются в сочетании друг с другом. Комплекс свойств и технология ведения горных работ обусловливают со­стояние массива горных пород. В таких случаях говорят о про­явлении технологических свойств массива.

Состояние массива горных пород характеризуется напряже­ниями, массами пород, воды и газов, содержащихся в единице объема горных пород, и температурой. Напряжение горной по­роды - сила, действующая на единицу площади какого-либо сечения породы. Если сила направлена перпендикулярно к рас­сматриваемой плоскости сечения, то напряжение называют нормальным. В случае действия силы в плоскости сечения напряжение считают касательным.

Напряжения в массиве возникают по различным причинам. Основная из них - вес вышележащих пород. Сила, вызываемая весом вышележащих пород, называется горным давлением. На­пряжения в массиве от действия веса вышележащих горных по­род на глубинах 800-1200 м достигают 20-30 МПа и более.[17] Такие значительные напряжения обязательно учитывают при выборе технологии ведения горных работ.

Напряжения в массиве горных пород формируются также в результате тектонических движений земной коры, землетря­сений, давления газа и т. д.

На современных глубинах разработки давление метана в угольных пластах редко превышает 5-7 МПа. Наиболее вы­сокие давления метана зарегистрированы на шахтах Донбасса (12 МПа).

Давление углекислого газа, содержащегося в угольных пла­стах шахт Подмосковного бассейна и Восточного Донбасса, меньше, чем давление метана. Измеренные давления углекис­лого газа в пластах не превышают 3,5 МПа.

С увеличением глубины залегания угольных пластов их тем­пература возрастает по закону, близкому к линейному. В обыч­ных условиях, где отсутствуют термические аномалии, темпера­тура горных пород, начиная с пояса постоянных температур, которые равны среднегодовым на поверхности, увеличивается примерно на 3 °С через каждые 100 м глубины. Поэтому темпе­ратура пород, например, на глубине 1000 м достигает 38-42 °С. Изменения температуры пород создают в них дополнительные напряжения.[18]

В процессе разработки состояние угольных пластов и вме­щающих пород меняется - перераспределяются как напряже­ния, так и массы пород, метана и воды. Изменяются свойства и температура массива вокруг горных выработок.

Перемены в недрах

Подавляющее большинство разрабатываемых место­рождений находится вблизи земной поверхности, не более чем на 300-метровой глубине (в среднем).[19] Именно из этой толщи земной коры человечество долгое время из­влекало все необходимое минеральное сырье. Сегодня же потребности в нем резко возросли: понадобилось не толь­ко больше сырья - потребовались такие полезные иско­паемые, в которых раньше не было нужды. Это застав­ляет горняков уходить в недра, вовлекать в разработку более глубокие горизонты.

В России сейчас более сотни шахт добывают уголь из пластов, лежащих в 600 метрах от поверхности. А на шахтах Донецкого бассейна первый рабочий гори­зонт расположен на глубине более 1000 метров. Пример­но того же уровня достигли разработки на калийных руд­никах в Белоруссии. Рабочие отметки некоторых рудни­ков Кривого Рога - полтора километра. На столько же предстоит опуститься руднику «Таймырскому» Талнахско-Октябрьского месторождения.

В среднем же глубина горных работ в РФ достигла 600 метров.[20]

Интенсивное проникновение в недра началось в 50-х годах. Именно тогда горняки впервые почувствовали, что они перестают быть полноправными хозяевами недр, что в некоторых случаях они не в состоянии управлять под­земными ситуациями.

Особенно опасны горные удары в рудных массивах Руда - крепкий материал, долго противостоит горному духу и, когда он высвобождается, всю энергию передаем подземным сооружениям. Уголь более пластичен, он несколько гасит силу удара.

Общий вывод: с глубиной недра ведут себя иначе, чем вблизи земной поверхности. В многовековой горной практике произошел перелом; нельзя дальше полагаться только на опыт, необходимо точнее изучить подземный мир на глубинах более 300 метров.[21]

В наши дни ситуация меняется. На глубокие горизон­ты первыми часто идут ученые. Следом за ними уверенно направляются в новые забои рабочие бригады. Горная на­ука гарантирует им спокойную работу.

Не так давно инженер-горняк обходился небольшим набором формул для расчета подземных сооружений. Се­годня он привлекает для тех же целей теорию упругости, теорию пластичности, механику сплошных и дискретных сред. Это помогает ему уверенно осваивать глубокие гори­зонты, работать на пределе допустимых воздействий на недра.