|
Скачать 5.07 Mb.
|
|
Рассматривая напряженное состояние какого-либо элементарного объема в массиве (рис. 2.6.), подверженном действию горизонтальных тектонических сил, можно утверждать что одно из главных нормальных горизонтальных напряжений численно Рис. 2.6. Схема к расчету параметров поля напряжений при действии горизонтальных тектонических сил. равно: о,-Т» (2.5.) где Тн - горизонтальное тектоническое напряжение в рассматриваемом массиве. Для напряжений а3 и о2 справедливы следующие соотношения; ОзюХТъ<�Н = уТт (2.6.) В случае действия тектонических сил напряжённое состояние массива будет определяться суммой двух тензоров; Т0 = ТвГ + ТаТ (2.7) где ТогДвт - тензоры напряжений, обусловленные соответственно действием гравитационного и тектонического полей напряжений. В заключение отметим, что вследствие иерархично-блочной структуры массивов горных пород, логично предположить, что иерархично-блочную структуру должно иметь и начальное поле напряжений. При этом, поскольку гравитационное поле действует повсеместно и определяется плотностными свойствами и глубиной рассматриваемой точки от дневной поверхности, по-видимому, именно тектоническая составляющая обусловливает иерархичность общего поля естественных напряжений массива пород. Тогда, величины действующих начальных напряжений в каком-либо конкретном структурном блоке массива пород (а о точке массива в данном случае говорить уже некорректно) будут определяться его положением в системе других блоков более низкого ранга и параметрами напряжённого состояния на границах структурных блоков каждого из более низких рангов. Вполне естественно, что задача определения начального напряжённого состояния при такой постановке становится весьма сложной, хотя некоторые результаты, подтверждающие высказанные предположения, в последнее время уже появились. Тема 3. Управление геомеханическими процессами при проведении капитальных выработок и строительстве подземных сооружений. 4 часа лекций + 6 часов лабораторных работ. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках. Задачи управления горным давлением и основные принципы обеспечения устойчивости горных выработок. Закономерности изменения напряженного состояния приконтурного массива выработок при их различных положениях в пространстве относительно поля напряжений в массиве пород и преобладающих структурных неоднородностях. Выбор и обоснование оптимальных форм и размеров поперечных сечений, рациональной ориентации выработок. Целенаправленное изменение свойств окружающего массива. Основные типы крепей горных выработок и методы их расчёта. Основные типы крепей подземных сооружений. 3.1. 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. Сразу же после образования очередного участка выработки в результате взрывания комплекта шпуров или механического разрушения вследствие воздействия рабочих органов машин породы вокруг выработки, практически, мгновенно упруго деформируются. Это деформирование охватывает значительную область вокруг выработки, в том числе и вокруг ранее пройденной части этой же выработки на некотором расстоянии позади забоя. 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. При этом важно подчеркнуть, что это 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. 3.2. 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:
По первому направлению - снижение величин действующих напряжений можно достигать следующими способами; I. 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. пород-способами:
Второе направление - повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива можно реализовать различными 1. Путём искусственного упрочнения поооп 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. Путем 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. Т" • Возведение в выработках того или иного вида несущих крепей. В рамках данной темы по первому направлению детально рассмотрим вопросы выбора устойчивых форм поперечных сечений и их ориентации в пространстве, а по второму -наиболее широко применяемые методы крепления выработок и,частично, методы укрепления приконтурного массива. 3.3. 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. В настоящее время основные закономерности формирования указанных полей напряжений достаточно детально изучены, разработаны экспериментальные и теоретические методы определения их параметров при условиях, отвечающим различным случаям горнотехнических ситуации. При этом в большинстве случаев решения получены в предположении идеально упругого деформирования массива пород. Подобная постановка в малой степени отвечает реальным условиям деформирования массивов, но обладает огромным преимуществом, поскольку результаты определения напряжений являются максимально возможными. Проследим основные закономерности изменения естественных полей напряжений при проведении горных выработок на простейших примерах. В частности, простейшей формой сечения горных выработок является круговая. На практике её редко применяют для горизонтальных выработок, но для вертикальных стволов она широко распространена. В этом случае напряжения могут быть выражены весьма простыми формулами: при равнокомпонентном поле естественных напряжений (а{° = а3*) а2 ог-оГ(1 ); г2 (3.1) Ов = о, (1 + ); г2 при неравнокомпонентном поле естественных напряжений (ст!* Ф оУ°) (3.2)
|