52. Начальное напряженное состояние массивов горных пород (по Гейму и Диннику)
Первую научную гипотезу о силах, действующих в нетронутом скальном массиве пород, обосновал в 1878 г. швейцарский геотектоник А. Гейм. Давление пород, по Гейму, есть не что иное, как тяжесть толщи пород. Давление в нетронутых массивах действует по всем направлениям гидростатически и по абсолютной величине. Гипотеза А. Гейма о напряжениях в ненарушенном скальном массиве на протяжении прошедшего столетия не была опровергнута и находит отражение в трудах известных в области механики горных пород специалистов – С.Г. Авершина, М. Талобра, Л. Мюллера и других.
Гипотеза о напряженном состоянии нетронутого массива пород А.Н. Динника, разработанная в 1925 г., утверждает, что горизонтальное напряжение не равно вертикальному и составляет лишь какую-то часть последнего. М.М. Протодьяконов считал, что теорией А.Н. Динника можно пользоваться лишь для определения напряжений в массиве пород до проведения в нем горной выработки. По его мнению, теория А.Н. Динника непригодна для расчета нагрузок на крепь. Появление теории А.Н. Динника было вызвано острой практической необходимостью решения с достаточной степенью приближения сложных практических задач горного дела, связанных с разрушением крепи выработок и очистных забоев горным давлением, деформированием рудных целиков и обвалами массива в камерах, стрелянием пород и горными ударами на глубоких горизонтах шахт. Для решения таких задач требуется знание истинного уровня напряженного состояния переднего массива на различных глубинах и закономерностей физических процессов, протекающих в породах.
53. Тектоническое напряжение в земной коре
Напряженное состояние характеризует не только сами поверхностные слои, которые можно наблюдать непосредственно, но и более глубинные части земной коры, причем величина напряжения составляет несколько сот мегапаскалей (МПа). Установлено, что напряжения обладают не только вертикальной, но и горизонтальной компонентой.
Источники напряжений в земной коре можно разделить на три группы:
1-я группа - это факторы, связанные с эндогенными, то есть внутренними, процессами, происходящими не только в земной коре, но также и в мантии Земли. Именно эти процессы генерируют как глобальное поле напряжений Земли, так и тектонические движения в земной коре;
2-я группа источников напряжений связана с экзогенными факторами, такими, например, как покровные оледенения, нагрузка искусственных водохранилищ, эрозионная деятельность рек, откачка нефти, газа, воды с глубин в первые километры. В формировании глобального поля напряжений эта группа факторов играет меньшую роль;
3-я группа факторов связана с космическими источниками, например с ротационными силами Земли или силами, возникающими при быстром, практически скачкообразном изменении скорости вращения планеты, а также с приливным воздействием Луны.
Из всех перечисленных источников самый существенный вклад в общее поле напряжений вносят эндогенные процессы, которые и формируют поля напряжений разных рангов.
По современным представлениям напряженное состояние земной коры в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформаций земной коры, т. е. наличием градиента тектонических движений. Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Оно связано с неравномерными распределениями в пространстве скоростей тектонических движений и деформаций земной коры. Характерными признаками тектонически-напряжённых массивов являются специфические проявления горного давления в подземных выработках.
Тектонические усилия вызывают отклонение от литостатического всестороннего давления, обусловленного весом столба горных пород на единицу площади, которое равно примерно 27Н МПа, где Н - глубина (в км).
Главное напряжение в вертикальной плоскости σ3= Σgi hi всегда определяется весом пород вышележащей толщи. Это напряжение вызывает деформации сжатия, а также расширения пород в горизонтальной плоскости, чему препятствует реакция окружающих пород, в результате чего возникают горизонтальные сжимающие напряжения σ1 и σ2.
s1 = s2 = x * g *H
Здесь коэффициент x называется коэффициентом бокового давления или коэффициентом бокового отпора.. Этот коэффициент показывает, какую часть вертикальной нагрузки, действующей в рассматриваемой точке массива, составляют силы или напряжения, действующие в горизонтальной плоскости.
Кроме гравитационного напряжения в массиве действуют тектонические напряжения – от изгибающих сил при сжатии складок в пластовых породах, от влияния ранее пройденных горных выработок.