Физические процессы горного производства, как наука, тесно связаны с разработкой месторождений полезных ископаемых и, естественно, решает общие проблемы, среди которых одной из основных является управление состоянием горного массива.
В связи с увеличением глубины разработки угольных пластов значительно усложняются условия добычи угля. Горные работы ведутся в очень сложной среде, являющейся неоднородной, анизотропной, гетерогенной и трещиноватой. С углублением работ увеличивается горное давление, газоносность угольных пластов и пород, возрастает температура и интенсивность газодинамических явлений. Для предотвращения этих опасных явлений возникает необходимость в проведении очень трудоемких и дорогостоящих мероприятий по снижению горного давления в массиве и изменению его физико-механических свойств.
В сложившейся ситуации в угольной промышленности страны все большую актуальность приобретает проблема управления состоянием горного массива. В процессе деформирования горных пород они могут оказаться в одном из трех состояний – допредельном, предельном и запредельном. При этом объемные изменения деформируемых пород носят двойной характер – на начальной стадии происходит уменьшение объема (уменьшение пористости и закрытие имеющихся дефектов), затем, по мере раскрытия имеющихся трещин и образования новых, объем начинает увеличиваться.
В допредельном состоянии горные породы имеют упругие или квазиупругие свойства. Под предельным же состоянием принято понимать такие значения и соотношения напряжений, при которых в нетронутом материале начинается хрупкое разрушение или пластическое трение. Т.е. предельное состояние, это состояние, когда добавка любых напряжений приводит к разрушению твердого тела.
Деформирование предельнонапряженных горных пород приводит к переходу их от ненарушенного к связно-нарушенному и нарушенному состояниям. Наряду с объемными изменениями другой важной особенностью механического деформирования пород в запредельном состоянии является постепенное, а не мгновенное, уменьшение их сопротивляемости по мере роста деформаций и остаточная прочность.
Воздействуя на массив горных пород физически, химически или технологически с той или иной целью и с учетом конкретных условий, мы можем влиять на его состояние.
Для борьбы с негативными последствиями нарушения естественного равновесного состояния массива, вызванного ведением горных работ, постоянно применяются различные дополнительные мероприятия, влияющие на интенсивность переходных процессов и определяющие свойства и состояние пород в новом положении равновесия. Применение тех или иных дополнительных мероприятий способствует тому, что горный массив становится в большей или меньшей степени управляемым объектом.
Возможность достижения заданного состояния различными путями определяется степенью "управляемости" массива и его "чувствительностью" к дополнительным воздействиям. Как показывает практика ведения горных работ, с увеличением глубины разработки угольных пластов "чувствительность" массива к различным воздействиям возрастает. Это способствовало увеличению в последние годы работ по управлению состоянием массива горных пород.
Способы управления состоянием горного массива разделяются на региональные и локальные. Для заблаговременной профилактической подготовки массива к эффективной и безопасной отработки на него воздействуют с поверхности. Среди основных воздействий на массив через скважины с поверхности можно выделить следующие: гидродинамическое, солянокислотное, физико-химическое, тепловое и многостадийное как для вышеперечисленных воздействий в определенном порядке.
Один из важнейших способов управления массивом горных пород – способ подработки-надработки, основной целью которого является предотвращение горных ударов и внезапных выбросов угля и газа на подзащитных пластах.
Учитывая одновременно ффективность, технологичность и затраты, среди региональных способов предпочтение может быть отдано способам, основанным на изменении свойств и состояния массива горных пород путем обработки его водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Подробный анализ и библиографию основных локальных и региональных способов управления состоянием горного массива, можно найти в работах [1,2].
Целый ряд научных и практических проблем физических процессов горного производства, связанных с изучение напряженного состояния горного массива в окрестности выработок, было решено с появлением различных установок, моделирующих напряженное состояние. Среди них особо следует отметить установку неравнокомпонентного трехосного сжатия, позволяющую независимо друг от друга создавать по трем осям любые нагрузки до 104 кбар и тем самым на реальных образцах изучать любые напряженные состояния, возникающие в горном массиве на глубинах до 10 км [3]. На этой установке подробно были изучены все три состояния (допредельное, предельное и запредельное, упомянутые ранее), в котором находится горная порода в процессе своего нагружения.
Принципиального внимания в этом направлении заслуживают работы, связанные с изучение запре дельного состояния, по сути своей – это изучение поведения и несущей способности разрушенных пород [2].
Весьма перспективным следует считать применение современных подходов к исследованию разрушения угля и горных пород с позиции теории трещин. К сожалению, консерватизм привел к тому, что до сих пор большинство горняков изучает предельное состояние горных пород с позиций теории прочности Кулона-Мора. В то время как во всем мире уже более тридцати лет потерю устойчивости твердых тел описывают с применением теории трещин. Теория трещин, основную идею которой (при распространении трещины потерю упругой энергии в твердом теле компенсирует поверхностная энергия) высказал Гриффитс, дает возможность установить в предельном состоянии строгие функциональные зависимости между прочностными, деформационными характеристиками породы, учитывая дефектность структуры и поверхностно-активные среды в них. Для угля и горных пород, где всегда присутствует минерализованная вода и различные газы, это весьма важно. Классическим примером применения теории трещин к изучению предельного состояния горных пород является прогноз выбросоопасности пород по эффективной поверхностной энергии [2,3], которая является интегральной характеристикой сопротивляемости твердых тел распространению трещин.
Весьма перспективным в настоящее время в изучении на молекулярном уровне строения угольного вещества и видов связи его и горных пород с различными флюидами следует считать применение методов радиофизики: ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов (ЯМР и ЭПР). Использование ЯМР в изучении фазового состояния различных газов в ископаемом угле привело к открытию: метан в угле находится не только в виде газа и сорбированного на поверхности угля, а и растворен в органике угля. Это значит, что метана в угле значительно больше чем считалось ранее. Почти в два раза, если учитывать растворенный метан и заключенный в закрытых порах, из которых он выходит путем твердотельной диффузии [4].
Применение радиофизики для исследования угля и горных пород открывает новые весьма плодотворные направления в создании промышленных способов контроля и управления состоянием горного массива, первые из которых были разработаны и применены в угольной промышленности более 20 лет назад [5-7].
Несмотря на известные трудности, которые переживает сейчас наука в нашей стране, ученые Украины создали новое направление в науке – физика угля, и в этом направлении они находятся на ведущем месте в мире.
Литература