НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

ГРАВИТАЦИОННАЯ И ТЕКТОНИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩИЕ. ОБЩЕЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПОЛНОГО ТЕНЗОРА НАПРЯЖЕНИЙ МАССИВА ПОРОД Напряженное состояние в какой-либо точке массива может быть описано тензором второго ранга, называемом тензором напряжений. Тензор напряжений записывают в виде матрицы его компонентов: - нормальные напряжения, Тензоры касательных напряжений являются симметричными Чтобы вычислить значения напряжений на площадках, любым произвольным образом ориентированных в пространстве, достаточно знать составляющие нормальные и касательные напряжения, действующие на трех любых взаимно перпендикулярных площадках.

Каким бы ни было поле напряжений массива в целом и напряженное состояние любой точки рассматриваемого массива, в каждой из точек существуют три таких взаимно ортогональных направления (и притом единственных), при которых все касательные компоненты тензора напряжений имеют нулевые значения. Отличными от нуля остаются только три нормальных напряжения σ1, σ2, и σ3, называемые главными значениями тензора напряжений или главными нормальными напряжениями. Матрица тензора напряжений, выраженная главными его значениями, принимает вид: σ1 > σ 2 > σ3 Направления действия главных главными осями напряжений. нормальных напряжений называют

Напряжение в вертикальной плоскости (Z) всегда определяется весом пород вышележащей толщи и в случае различных плотностей (объемных весов) покрывающих пород имеет вид: σz=Σ(γi·hi) где γi — объемный вес i-го слоя пород; σx=ξ·Σ(γi·hi) hi — мощность i-го слоя; i – номер слоя. σy=ξ·Σ(γi·hi) Если напряженное состояние массива пород определяется только действием гравитационных сил, то каждый элементарный объем под действием вертикального гравитационного напряжения будет испытывать деформации сжатия в вертикальном (по оси Oz) и деформации растяжения в горизонтальных направлениях (по осям Ох и Оу). Однако им препятствует реакция окружающих пород, в результате чего возникают горизонтальные сжимающие напряжения численно равные: σx= σy=ξ·Σ(γi·hi) -коэффициент бокового давления (от 0, 1 до 1). Условие гидростатического распределения напряжений в массиве σ1 = σ2= σ3

УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. В зависимости от деформационных и прочностных характеристик пород, непосредственно примыкающих к контуру выработки, могут иметь место различные виды деформаций пород на контуре выработок или их разрушение. В разнообразных горно-геологических условиях в зависимости от свойств пород процессы деформирования и разрушения в стенках, кровле и почве выработок имеют те или иные характерные признаки и соответственно классифицируются, как различные виды проявлений горного давления. В результате взрывания комплекта шпуров или механического разрушения вследствие воздействия рабочих органов машин породы вокруг выработки, практически, мгновенно упруго деформируются. Вследствие высокой скорости деформирования (приближающейся к скорости звука) упругие деформации вокруг забоя выработки успевают развиться до возведения крепи и в результате этого часто остаются незамеченными. Вместе с тем, на ранее пройденных участках выработки в случае, если они закреплены весьма жесткой крепью, дополнительные, даже незначительные, упругие деформации могут вызвать значительные разрушения. Во избежание этого жесткие постоянные крепи всегда возводят с некоторым отставанием от забоя. Отставание постоянной крепи необходимо осуществлять не только с целью предохранения её от воздействия взрывных работ, если проходку осуществляют буровзрывным способом (очень распространённое мнение), но и от указанного воздействия упругих деформаций.

Фактически, выбор и обоснование величины отставания установки постоянной крепи от забоя является элементом управления геомеханическими процессами в приконтурном массиве пород. Упругое деформирование пород в выработках иногда может сопровождаться интенсивным хрупким разрушением пород с выделением значительного количества энергии. Следует подчеркнуть, что проявления горного давления в форме хрупкого разрушения пород определяются как действующими напряжениями, так и особенностями деформирования пород. Если действующие напряжения не превосходят определенного критического значения или же породы обладают способностью к проявлению значительных пластических деформаций, то хрупкого разрушения пород не происходит, а после сравнительно спокойного упругого деформирования развиваются пластические деформации как без разрыва сплошности (пластическое течение), так и с разрывом её, т. е. разрушение. В случаях, когда уровень действующих напряжений вокруг выработок недостаточен для разрушения самих структурных блоков, из которых сложен массив, происходит разрушение пород в форме сдвига и отрыва по поверхностям естественных трещин или других структурных неоднородностей. Это приводит к наиболее массовому типу проявлений горного давления — образованию вывалов и заколов. Если же породы в приконтурной области массива склонны к проявлению вязких свойств, в частности ползучести, то в выработках наблюдаются специфические типы проявлений горного давления — сближение (конвергенция) стенок выработок или почвы и кровли или пучение пород.

Область массива пород вокруг выработок, в которой проявляются пластические, вязкие деформации и разрушение, составляет так называемую зону неупругих деформаций. Параметры зоны неупругих деформаций характеризуют состояние выработки, они являются исходными для выбора и расчета крепи, а поэтому их определение — обычно конечная цель теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок. Под управлением горным давлением, или, другими словами, управлением состоянием приконтурного массива пород обычно понимают совокупность мероприятий по регулированию напряжённо-деформированного состояния горных пород, окружающих горные выработки, в целях обеспечения их безопасной эксплуатации и создания необходимых условий ведения технологических процессов добычи полезных ископаемых. Задачи управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках включают в себя: а) обеспечение необходимых требований к форме, размерам поперечных сечений и сохранности выработок во времени с точки зрения обеспечения нормальных условий для выполнения технологических операций при добыче полезных ископаемых; б) обеспечение безопасных условий работы людей и механизмов на протяжении всего срока эксплуатации выработок; в) выбор наиболее экономичных мероприятий по обеспечению устойчивости выработок и их поддержанию. Поскольку виды проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках определяются соотношением величин действующих напряжений и деформационных характеристик окружающего массива пород, мероприятия по управлению горным давлением могут быть направлены: - на снижение действующих напряжений в массиве; - на повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива.

По первому направлению - снижение величин действующих напряжений можно достигать следующими способами: 1. Исключать или по мере возможности снижать опасность возникновения высоких концентраций напряжений в приконтурных областях массива. Этого можно достичь специальной организацией и методами проведения проходческих работ. 2. Придавать выработкам наиболее устойчивые формы поперечных сечений, которые определяются как видом и параметрами напряженного состояния массива пород, так и его структурными особенностями. 3. Выбирать оптимальную ориентацию сечений вертикальных выработок или направлений горизонтальных выработок в пространстве конкретного массива пород.

Второе направление - повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива можно реализовать различными способами: 1. Путём искусственного упрочнения пород вокруг выработок. К подобным мероприятиям относится тампонирование пород, в частности цементация и укрепление трещиноватых массивов битумизацией или глинизацией пород. Эти способы позволяют повысить сцепление пород в массиве. В некоторых случаях бывает достаточно повысить прочность вмещающих пород лишь на сравнительно короткий период времени, до возведения постоянной крепи. С этой целью используют специальные способы проведения выработок с замораживанием пород. Эффективны также кессонные способы проходки выработок при создании избыточного давления воздуха в призабойной зоне. В этом случае породы приконтурного массива постоянно находятся в условиях объёмного напряжённого состояния, а это резко изменяет в сторону увеличения их прочностные и деформационные свойства. 2. Путём применения мероприятий, направленных на максимальное использование несущей способности пород. К ним относятся способы проходки выработок, обеспечивающие минимальное разрушение пород вокруг выработок, в частности, ведение взрывных работ методом контурного взрывания, проведение выработок бурением на полное сечение и др. 3. Путём предотвращения изменения свойств пород приконтурного массива под влиянием агентов выветривания. Для этого в выработках применяют изолирующие виды крепи. Возведение в выработках того или иного вида несущих крепей.

Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Проведение выработок с физической точки зрения можно представить как образование полости в массиве горных пород, обладающем определёнными свойствами и начальным (или естественным) полем напряжений. При этом вокруг выработки - полости формируется новое поле напряжений и смещений, являющееся результатом выемки породы при проведении горных работ.

Отметим некоторую особенность записи условий на внешней границе в расчетной схеме (в). Если плоская задача решается в полярных координатах, внешнюю границу удобно представить в виде окружности бесконечно большого радиуса с центром, совпадающим с центром поперечного сечения выработки. Тогда на внешней границе (r = ∞) статические граничные условия: λ - коэффициент бокового давления (от 0, 1 до 1). В условиях гидростатического начального напряженного состояния массива, когда λ = 1, получаем наиболее простую запись для граничных условий:

Факторы, определяющие напряжённое состояние пород вокруг выработок Пространственно-геометрические параметры выработок - форма и размеры поперечного сечения, близость соседних параллельных и пересекающих выработок. Наивысшей устойчивостью обладает выработка круглой формы или близкой к этому эллиптической формы. Наиболее удобна прямоугольно-сводчатая форма поперечного сечения выработки с точки зрения её крепления. Чем меньше размеры выработки, тем выше её устойчивость, но минимальные размеры определяются назначением выработки, зазорами между используемыми здесь машинами и стенками. В кровле и бортах выработок расположена зона повышенных напряжений, поэтому ближайшие выработки могут вызвать наложение своих зон опорного давления (обычно ширина зоны составляет 1, 5 -2 ширины выработки) на целик и привести к его разрушению. Характеристики воздействия на породы при проходке и эксплуатации выработок. Скорость проходки выработки, взрывная отбойка оказывают существенное влияние на формирование волны давления перед забоем. При высокой скорости, породы не успевают скомпенсировать часть опорного давления, что может привести, например, к горному удару в хрупких породах или к обрушению в пластичных породах.

Напряженное состояние пород в условиях взаимного влияния выработок На современных горных предприятиях лишь сравнительно небольшая часть выработок — одиночные, которые не испытывают влияния соседних выработок. Это обычно капитальные выработки — вскрывающие (стволы, штольни) и подходные (квершлаги, уклоны и др. ) и в меньшей степени подготовительные. Большую же часть выработок проводят на небольших расстояниях друг от друга, определяемых параметрами применяемой системы разработки. В результате взаимного влияния напряженное состояние пород вокруг таких выработок существенно изменяется. Теоретическое определение напряжений вокруг системы сближенных выработок является более сложной задачей, чем для одиночной выработки, но и в этом случае могут быть применены методы теории упругости, разработаны также и приближенные методы решения подобных задач. Результаты теоретического изучения, а также практический опыт проведения и эксплуатации горных выработок позволяют заключить, что напряжения вокруг взаимовлияющих выработок зависят от их размеров, конфигурации, размеров целиков между ними, пространственного расположения по отношению друг к другу, от числа сближенных выработок, а также от параметров начального поля напряжений в нетронутом массиве. Прежде всего, рассмотрим достаточно простой случай, когда на близком расстоянии друг от друга в массиве пройдены две одинаковые параллельные выработки с поперечными сечениями круговой формы:

При сближенных выработках тангенциальные напряжения на их контуре могут увеличиваться в 2 раза и более, при этом напряжение в точке Б растет особенно быстро, когда ширина целика становится меньше радиуса выработок. Исключение представляет случай, когда действуют высокие горизонтальные напряжения тектонического происхождения. Тангенциальные напряжения (в долях 3) в стенках (точка Б) сближенных выработок на одном горизонте в зависимости от ширины целика между ними при различном напряженном состоянии нетронутого массива. Тангенциальные напряжения (в долях 3) в кровле и почве (точка Б) сближенных выработок на разных горизонтах в зависимости от расстояния между их центрами при различном напряженном состоянии нетронутого массива. В массивах с негидростатическим распределением напряжений или при ярко выраженной анизотропии упругих свойств пород парные сближенные выработки целесообразно располагать таким образом, чтобы линия их центров совпадала с направлением наибольшего главного напряжения или с направлением в массиве, по которому модуль упругости имеет максимальное значение (например, для слоистого массива - перпендикулярно к слоистости).

Особое значение для практики имеет случай, когда поперечные сечения взаимовлияющих выработок существенно различны. В точках контура малой выработки, располагающихся вблизи линии, соединяющей центры обеих выработок, тангенциальные напряжения могут увеличиваться в 2 — 2, 5 раза; при этом наиболее интенсивно они растут в диапазоне отношения радиусов выработок до 20. Рассмотренные закономерности распределения напряжений вокруг сближенных выработок позволяют заключить, что в большинстве случаев взаимное влияние выработок проявляется в увеличении тангенциальных напряжений . На практике стремятся по возможности быстрее миновать зону взаимного влияния выработок, т. е. зону повышенных напряжений, для чего выработки стараются сопрягать под прямым углом. При проведении сбоек между параллельными выработками или при Т-образном пересечении выработок предварительно делают небольшие засечки в стенках соединяемых выработок, и затем производят сбойку из этих засечек. В этом случае область взаимного влияния также уменьшается, поскольку, напряжения впереди забоя выработок уменьшаются пропорционально кубу расстояния от контура выработки, тогда как со стороны стенок — пропорционально квадрату этого расстояния. Тангенциальные напряжения (в долях 3) на контуре выработки (точки A и Б) в зависимости от ширины целика (а) и при различных соотношениях радиусов сближенных выработок (б).

УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА Меропрития: 1) горные работы необходимо проводить так, чтобы не было опасных концентраций напряжений в приконтурных частях массива, чтобы расстояние между выработками не приводило к наложению зон их влияния; 2) выработкам придают наиболее устойчивые формы поперечного сечения; 3) изменение НДС массива может быть достигнуто за счёт применения мощной распорной крепи, способной оказывать значительное сопротивление (противодавление) внешним нагрузкам; 4) использование способов проходки, обеспечивающих минимальное разрушение пород вокруг выработок, например, применение контурного взрывания – или механического разрушения пород полным сечением (проходческими комбайнами); 5) искусственное упрочнение массива вокруг выработки за счёт тампонажа пород глиной или вяжущим раствором, за счёт применения анкерной и штанговой крепи; 6) предотвращение окисления, выветривания, размораживания пород за счёт набрызг-бетонной крепи, льдоупрочнения;

7) разные виды поддержания очистного пространства (см. геомеханику) или же, наоборот, полное либо частичное управляемое обрушение кровли за пределами призабойного пространства выработок – например, взрыванием глубоких скважин или используя податливость целиков; 8) полная или частичная закладка выработанного пространства; 9) заблаговременное сооружение пространственных опорных конструкций.