59. Полная диаграмма деформирования горных пород

В условиях всестороннего сжатия в горных породах проявляется эффект изменения упругих, пластических и прочностных свойств. В пределах нескольких процентов возрастают значения модуля продольной упругости Е и модуля сдвига G. Несколько возрастает также коэффициент поперечных деформаций v. Значительно возрастают показатели пластических свойств пород. Прочностные свойства растут весьма существенно, причем относительное увеличение пределов прочности на сжатие и на срез больше для менее прочных пород. Поведение горных пород под нагрузкой в полной мере характеризуется так называемой полной кривой "напряжение-деформация", которая состоит из двух ветвей - восходящей до значения [s_сж], равного пределу прочности испытуемой породы, и ниспадающей от [s_сж] до [s_ост] - остаточной прочности (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Типичные кривые "напряжение-деформация" для горных пород, получаемые на обычных испытательных прессах (а) и машинах с повышенной жесткостью (б).

l-V - области: I - закрытия структурных дефектов, II - линейного деформирования, III - образования микротрещиноватости, IV - разветвления и слияния трещин, V - снижения грузонесущей способности.

61. Сдвижение горных пород и земной поверхности при очистной выемке

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. Упругое деформирование пород в выработках иногда может сопровождаться интенсивным хрупким разрушением пород с выделением значительного количества энергии. 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.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород, системы разработки, условий залегания полезного ископаемого и других факторов сдвижение горных пород может происходить в форме обрушения, т. е. беспорядочного падения породы в виде кусков и глыб разных размеров (начальная стадия - зона І), прогиба напластований толщи горных пород в сторону выработанного пространства с образованием расслоений, трещин, разломов и уплотнения (зона ІІ - полных сдвижений, промежуточная стадия), прогиба пород с образованием трещин и расслоений (зона ІІІ), плавного прогиба пород без образования трещин и расслоений (зона IV), пучения и поднятия пород почвы в сторону выработанного пространства (зона разгрузки VII), сжатия и утонения пород под действием силы тяжести прогибающихся слоев в зонах ІІ, III, IV (зона опорного давления V), поднятия толщи горных пород, прилегающих к земной поверхности (зона VIII), и прогиба прилегающих пород к наносам и наносов с образованием впадины (мульды сдвижения) на поверхности земли (зона VI), воронок и террас (зона X).

Рисунок 1. Общая схема процесса сдвижения толщи горных пород: а - при пологом падении; б - при крутом падении

При разработке крутых залежей может иметь место оползание пород почвы в выработанное пространство, а если залежь мощная, то и провалы (зона IX).

Перемещение слоистых горных пород в кровле очистного пространства (при значительной глубине разработки и площади пустот) начинается с прогиба пород, расслоения напластований и появления зон повышенных деформаций растяжений и сжатий. Когда деформации достигают предельных значений, напластования обрушаются, заполняя выработанное пространство, и становятся опорой для вышележащих, прогибающихся пород. Зона обрушения распространяется вверх по нормали к напластованиям на 3-5-кратную мощность вынутого пласта. При малой мощности вынимаемого пласта, пучащих породах почвы, полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения может не возникнуть вследствие незначительного провисания пород и малых величин деформаций растяжений (сжатий).

Прогиб пород и расслоение напластований в зоне ІІ приводит к образованию зон повышенных деформаций растяжений (сжатий), появлению сквозных трещин и разрывов. Под воздействием веса вышележащих пород прогибающаяся толща пород зоны ІІ уплотняется, образуя зону полных сдвижений, размеры которой можно определить, зная углы ψ 1, ψ 2. Над зоной ІІ находится зона ІІІ, характеризующаяся наибольшими изгибами породных слоев толщи с возмож¬ным образованием раскрытых трещин и полостей по напластованиям.

Зоны ІІ и ІІІ распространяются вверх от кровли пласта примерно на (35—40) m и могут быть оконтурены углами λ 1, λ 2 (величины углов ψ 1, ψ 2, λ 1, λ 2 приведены в специальной литературе по горному давлению).

Выше зоны ІІІ породы прогибаются всем массивом без заметного расслоения и образования трещин, составляя зону плавного прогиба. Над зоной полных сдвижений ІІ зона IV имеет минимальные размеры, ближе к поверхности земли она увеличивается. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее зонам примыкает зона опорного давления. Она создается в толще горных пород вследствие их зависания над выработанным пространством и передачи части веса зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив. В зоне опорного давления происходит плавный прогиб слоев вследствие сжатия последних. Максимальные сжатия наблюдаются у границ очистной выработки и на контактах с зоной IV. Размеры зоны опорного давления зависят от многих факторов, в том числе от структурного строения, физико-механических свойств пород, глубины разработки, размеров площади очистных работ.

Процесс сдвижения толщи горных пород заканчивается сдвижением наносов и образованием на поверхности земли мульды сдвижения, т. е. впадины. Сдвижение наносов, как и коренных пород, может происходить в форме обрушения, прогиба по вертикали, а также прогиба по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пластов

«Подземная разработка рудных месторождений»