Раздел 4. Управление горным давлением
Лекция №20
Горное давление
Факторы влияющие на степень горного давления.
В массиве горной породы находятся в напряженном состоянии под действием силы тяжести (давления) вышележащих пород, иногда и горизонтальных напряжений (в основном тектонические). До проведения выработок в массиве существует равновесие (массив неподвижен).
При проведении выработок равновесие пород в массиве нарушается. Возникают деформации, смещения, разрушение.
Силы, проявляющиеся в массиве пород после проведения выработок и вызывающие деформацию горных пород вокруг выработок называются горным давлением. На степень горного давление влияют как природные, так и технические факторы:
Природные факторы:
Глубина залегания рудного тела, которое в прямой пропорции увеличивает вес налегающих пород;
Тектонические силы;
Физико-механические свойства пород (прочность, трещиноватость и т.д.);
Технические факторы:
Размер и форма обнажений. С увеличением обнажений возрастает необходимость в поддержании выработанного пространства.
Расстояние между выработками или ширина целиков;
Способы образования выработок. Наиболее благоприятен гладкий контур;
Интенсивность разработки в зоне повышенного горного давления. Важно завершить работу раньше, чем наступит стадия прогрессирующей ползучести, и скорость деформации достигнет критической величины.
Порядок разработки д.б. таким, чтобы обеспечивалось наименьшее число целиков, подвергнутых повышенному опорному давлению;
Наличие закладки снижающей опорное давление в окружающем массиве.
Влияние физико-механических свойств горных пород:
Упругие и пластические свойства горных пород: Эти свойства принято характеризовать графиком зависимости:
δ=f(ε),
Где: ε – относительная деформация, безразмерная величина
где l – первоначальная длина деформированного тела;
Δl – абсолютная деформация.
δ- нормальное сжимающее напряжение, МПа (это внутреннее удельное давление в данной точке деформированного тела).
Все типы пород под давлением характеризуются таким графиком.
Проведение массива при нагружении: участок 0-1 – наряду с упругой деформацией частей массива, разделенных трещинами, происходит смыкание трещин, что вызывает необратимую деформацию массива: (т.е. упругопластическое поведение); дальнейшее увеличение нагрузки вызывает упругое поведение - участок 1-2; затем нелинейно-упругое - участок 2-3; далее наступает упругопластическое поведение, т.е. деформация при снятии нагрузки частично остается (точка 3') и со временем уменьшается до некоторой величины (точка 3" – пластическая деформация) – участок 3-4; далее 4-5 – участок текучести, на котором деформация нарастает со временем при неизменном напряжении. В дальнейшем наступает состояние пластического течения, когда ε =f=(δ, t) (где t – продолжительность приложения нагрузки), поэтому в осях σ-ε имеем уже не кривую, а область возможных значений. Слева ее ограничивает кривая, соответствующая мгновенному приложению нагрузки (t-0), справа – кривая соответствующая очень большому времени нагружения (t-∞). Кривая t1 показывает поведение пород при конечной величине продолжительности нагружения. Сверху область ограничена т. н. кривой разрушения, при достижении которой порода разрушается.
Упругое поведение пород на основном участке, на графике в основном характерно для гранита, диабаза, кварцита, порфирита.
Пластическое – для алевролита, гипса, соли, серы, сланцев и др. Соответственно теория упругости характеризует поведение крепких, монолитных пород, а теория пластичности – поведение полускальных, а также мягких или трещиноватых скальных пород.
Чаще используют теорию упругости, т.к. она более разработана м.б. шире использована в инженерных расчетах.
Основные положения из теории сплошных сред используемые в дальнейших рассуждениях:
в элементарном объеме массива нормальные напряжения по трем взаимно-перпендикулярным осям имеют разные величины.
Неравномерное нагружение упругого материала (в т.ч. горных пород) вызывает касательные напряжения (τ). Поэтому в упругой среде действуют нормальное напряжение (δ) и касательное сдвигающее (τ).
Разрушение происходит именно за счет сил сдвига, если есть свободная поверхность в направлении сдвига.
Реологические свойства горных пород:
это свойства, характеризующие поведение пород при длительно действующих нагрузках (ползучесть, релаксация, длительная прочность).
Ползучесть – процесс непрерывной пластической деформации, протекающий в горных породах в условиях длительного статического нагружения.
Релаксация напряжений:
- это процесс изменения напряжений со временем при неизменной деформации (ε=Const, t≠ Const, δ≠ Const). Концентрация напряжений как бы рассасывается.
Прочность массива пород.
В массиве действуют напряжения сжатия, сдвига. При проведении выработок возникают также растягивающие усилия. Горные породы сопротивляются растяжению и сдвигу хуже, чем сжатию. Поэтому часто устраивают сводчатую форму кровли выработок, при которой устраняются растягивающие усилия.
Прочность массива породы значительно хуже, чем у образца: на сжатие примерно в 1,5-4 раза, а на растяжение и сдвиг от 1,5 до десятков раз. Это объясняется наличием в массиве макротрещин и других структурных ослаблений, заполнении трещин глинистым материалом.
Предел прочности крепких пород в образцах кубика размером 70÷80 мм на одноосное сжатие составляет 100-200 МПа, на одноосный разрыв 7÷20 МПа.