Динамические проявления горного давления происходят при определенных сочетаниях естественных геологических и горнотехнических условий. Эти сочетания крайне разнообразны и связаны с влиянием многих факторов, которыми определяется не только само возникновение этих явлений, но также их сила и характер проявления.
К наиболее существенным геологическим факторам, обусловливающим возможность динамических проявлений горного давления, относятся:
n достаточно прочное и упругое полезное ископаемое;
n залегание в кровле и почве полезного ископаемого мощных прочных слоев пород;
n достаточно большая относительная глубина горных работ (при этом критическая глубина неодинакова для полезного ископаемого и окружающих пород разной прочности, что следует из приведенных выше примеров);
n сильная тектоническая нарушенность месторождения или участка и ведение горных работ вблизи дизъюнктивных нарушений и замков складок.
Среди горнотехнических факторов, подготавливающих динамические проявления горного давления, т. е. создающих условия для их возникновения, наиболее существенны:
* - ведение горных работ с оставлением целиков полезного ископаемого;
* - изрезанность отрабатываемого участка большим числом подготовительных и нарезных выработок;
* ведение работ под целиками, оставленными на смежных пластах или жилах;
* применение камерно-столбовых систем разработки;
* ведение горных работ догоняющими и встречными забоями;
* выемка сильно напряженных целиков;
* дополнительные импульсные нагрузки на участки массива при ведении добычных и взрывных работ.
Очагами динамических проявлений горного давления являются участки повышенной концентрации потенциальной энергии упругого сжатия массива горных пород (целики полезного ископаемого и вмещающих пород, в особенности, выступающие в очистное пространство; стенки подготовительных выработок и т. п.), находящиеся в условиях предельного напряженного состояния.
Именно предельное напряженное состояние, создающееся в отдельных участках массива и обусловленное действием гравитационных и тектонических сил, а в некоторых случаях и дополнительным влиянием давления напорных вод, является основной причиной динамических явлений.
Существенную роль в развязывании процесса разрушения пород играют импульсные нагрузки, которые могут возникать в предельно напряженном участке массива вследствие разнообразных причин - упругой волны при взрывах, внедрения в полезное ископаемое рабочего органа добычной машины, крупного мгновенного разлома в слое зависшей кровли, мгновенного усиления неравномерности напряженного состояния призабойной части массива при приближении забоя к дизъюнктивному нарушению или к замку складки и т. д. Возникающие импульсные нагрузки приводят к цепной реакции мгновенного хрупкого разрушения участка массива, находившегося в предельном напряженном состоянии, и к переходу накопленной потенциальной энергии в работу разрушения, дробления, смещения части массива.
Ввиду большой сложности и разнообразия условий динамических проявлений горного давления всесторонне разработанная теория этих процессов пока отсутствует.
Достаточно детально известно лишь, какие факторы и условия приводят к возникновению динамических форм проявления горного давления. В то же время о механизме последних, т. е. о том, что же происходит с полезным ископаемым и вмещающими породами в момент разрушения, какие именно физические процессы приводят к критическому состоянию и протекают за короткий период его развития разрушений, имеющиеся знания малы и не выходят пока за рамки предварительных гипотез.
Профессор И. М. Петухов сформулировал следующие два принципиальных положения относительно механизма горных ударов:
а) горный удар является следствием нарушения равновесия всей системы “блок породы — полезное ископаемое”;
б) горный удар возможен в том случае, если скорость деформации, обусловленная нарастанием удельного давления, превысит максимально возможную скорость пластического деформирования для данной части массива, находящейся в предельно напряженном состоянии.
Последнее положение является наиболее существенным, основным условием возникновения горного удара. На основе этого положения становятся ясными причины приводившихся выше примеров горных ударов в массивах, сложенных слабыми и весьма обводненными горными породами.
В настоящее время это положение получило дополнительное развитие. Сейчас уже говорят не только о скорости пластических деформаций, но в более общей постановке о способности пород рассеивать накапливаемую энергию конкретным участком массива пород. В свою очередь, способность пород рассеивать энергию приближённо может быть оценена отношением модуля спада к модулю упругости, т.е.
x= М / Е.(17.1)
Экспериментально установлено, что если x>1, то породы являются удароопасными.
В районах, где происходят геотектонические процессы, разработка месторождений полезных ископаемых приводит к изменению естественного гравитационно-тектонического поля напряжений и формированию нового поля напряжений. Здесь напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок нередко больше зависит от усилий, действующих в горизонтальном направлении (т.е. от тектонической составляющей), чем в вертикальном (от гравитационной составляющей).
Это наблюдается, в частности, на месторождениях Кольского полуострова и в Горной Шории. Внезапное высвобождение потенциальной энергии упругого сжатия, накопленной под совместным воздействием геологических и горнотехнических факторов, приводит к мгновенным хрупким разрушениям участков массива в местах концентрации напряжений.
Большое влияние на условия возникновения горных ударов оказывает скорость подвигания очистных забоев. С увеличением скорости подвигания забоев повышается интенсивность нагружения массива в зоне опорного давления, возрастает доля упругой деформации и создаются условия для внезапного хрупкого разрушения массива.
Считается, что потенциально опасным является находящийся под нагрузкой пласт в том случае, когда доля упругих деформаций достигает 70% от суммарных деформаций, возникающих при разрушении. При остановке забоя или очень медленном его подвигании происходит уплотнение массива, повышение его жесткости и хрупкости, что также способствует возникновению горного удара.
Длительность процессов хрупкого разрушения при подобных явлениях составляет от сотых долей секунды до 2 - 3с. Она тем больше, чем сильнее динамическое проявление.
Сейсмическая энергия единичного динамического проявления составляет от нескольких джоулей при стрелянии горных пород до 106 Дж и более при очень сильных, катастрофических ударах. Соответственно различен частотный спектр сейсмических колебаний, возникающих при динамических проявлениях горного давления. Максимум частотного спектра при микроударах лежит в диапазоне 500 - 800 Гц, при средних ударах - около 10 Гц, а при сильных - составляет 1 - 3 Гц.
