ENG GEO / 1Tri / Eng Geo / Engineering Geology of MD

Щимбаревич П. М., 1948 г]. По прекращении роста первичного давления наступает стадия вторичного давления. Первая соответствует нарушению равновесия горных пород — их перемещению, прогибанию, сдвижению (участок ] на рис. V-13, а) и началу разрушения, трещинообразования (участок 2), а вторая — установившемуся его действию. При этом может наблюдаться одна из двух ситуаций. Если крепь уравновешивает действие горного давления, она приостанавливает процесс трещинообразования в горных породах и давление сохраняется постоянным (участок 3 на рис. V-13,a). Во втором случае процесс трещинообразования, перемещения и сдвижения пород заканчивается формированием свода обрушения, поэтому горное давление на крепь также приобретает установившееся значение, а при ее податливости уменьшается (участок 4 на рис. V-13,а).

Развитие давления на крепь во времени в значительной степени зависит от склонности горных пород к деформациям, что наглядно показано на рис. V-13. Определенное значение имеет также характер крепи. Крепь предупреждает, ограничивает и замедляет деформации горных пород. Поэтому если

142

крепь жесткая, давление на нее при прочих равных условиях будет больше, чем на податливую, так как последняя при давлении на нее сама деформируется и ослабляет напряжения в горных породах. Для того чтобы управлять состоянием системы «крепь — горные породы», горным давлением на крепь и соответственно механическим состоянием горных пород, необходимо применять соответствующие инженерные мероприятия и соблюдать определенную технологию производства горных работ, что в какой-то мере отражено в табл. V-3.

Для объяснения природы горного давления, а также количественной его оценки и прогноза уже используются: а) непосредственные наблюдения и измерения, проводимые в подземных выработках; б) лабораторные эксперименты по моделиро-

териалов, оптический и др.); в) аналитические исследования, основанные на использовании законов строительной механики, сопротивления материалов, теории упругости, реологии и др.

Полученные таким образом знания позволили предложить ряд гипотез и теорий горного давления, методов его измерения, исследования и расчетов. Надо заметить, что эти методы оценки и прогноза учитывают главным образом давление, направленное сверху вниз, и только некоторые из них — боковое. Оценка давления горных пород по подошве выработок рассматривается в единичных случаях.

Большинство исследований горного давления посвящено его оценке и прогнозу в породах полускальных, рыхлых не-

количественной оценки горного давления в скальных породах пригодны главным образом теории, учитывающие развитие упругих деформаций, а это требует допущения представления о них как о сплошных однородных изотропных телах, что фактически не свойственно им в полной мере. Поэтому такой подход влияет на точность количественной оценки горного давле-

нение тектонических разрывов, трещин, систем трещин и дру-

лее 400—500 м) напряжения во многих генетических и петрографических разностях горных пород в зоне влияния горных

и з

выработок могут достигать пределов их упругости, текучести и прочности, их деформации приобретать упругий, упруговяз-

Все перечисленное показывает, что проблема горного давления многогранна. Она в значительной мере является геологической и для ее решения необходимо полно учитывать ин- женерно-геологические условия. Для объяснения, оценки и прогноза горного давления существуют различные гипотезы, теории и методы, однако все они дают удовлетворительные результаты, согласующиеся с практикой, только для определенных геологических н горнотехнических условий. Все они не являются универсальными и, как правило, позволяют давать только предварительные, ориентировочные значения горного давления и его распределения. Поэтому такие данные при проектировании ответственных горных выработок, особенно в сложных геологических условиях, необходимо уточнять непосредственными измерениями при их проходке, а при инженер-

на -три принципиально различные группы. Первую составляют методы, рассматривающие давление на крепь как действие внешней нагрузки, которая определяется свойствами горных пород и размерами выработок. Эти методы, по предложению Г. Н. Кузнецова, называют методами расчета крепей по заданным нагрузкам. В зависимости от геологического строения (геологических условий) они подразделяются на методы, исходящие из-, а) теорий действия на крепь горных пород обру-

Вторую группу составляют методы, рассматривающие давление на крепь не как внешнюю нагрузку, а как результат взаимодействия окружающих горных пород с крепью. Согласно этим теориям давление на крепь есть результат совместной работы горных пород и крепи, приводящий к деформации контура горной выработки. Поэтому эти методы можно назвать методами расчета крепи по взаимовлияющим деформациям. В зависимости от физического состояния горных пород и воз-

среды по всему контуру горной выработки или по какой-то его части (теории А. Н. Динника, Г. Н. Савина, С. Г. Лехницкого, А. С, Космодаминского, Ю. 3. Заславского, С. С. Давыдова,

144

косонаправленное в завнсимости от условий залегания горных пород и их свойств.

Из методов расчета горного давления в горизонтальных и отчасти наклонных горных выработках значительной известностью пользуется метод М. М. Протодьяконова. Результаты расчета по этому методу в ряде геологических условий получаются достаточно близкими к наблюдаемым в действительности. Это обусловлено тем, что при разработке метода использованы данные многолетних наблюдений в горных выработках, специальных экспериментов и теоретических обобщений. По-

(В. Риттер, О. Коммерель и др.), пришел к выводу, что горные породы в большинстве случаев трещиноваты, раздробленны и склонны к осыпанию, смещению и обрушению при их обнаже НИИ. Поэтому над кровлей .горной выработки они обычно об разуют свод естественного равновесия той или иной высоты

было им названо крепостью, а показатель, характеризующий ее,— коэффициентом крепости. Соответственно им была разра ботана специальная классификация горных пород по крепости

Итак, согласно представлениям М. М. Протодьяконова, вер тикальное горное давление на крепь кровли горной выработки должно быть равно'Весу пород, находящихся в пределах свода естественного равновесия. Эта масса пород, как уже было отмечено выше, называется сводом обрушения. Л1. М. Протодьяконов теоретическим анализом доказал, что свод имеет форму, приближающуюся к параболической, а его высота равна

где / — полупролет свода обрушения (рис. V-9); /кр — коэффициент крепости горных пород.

Зная высоту свода обрушения, можно определить наибольшее давление на I м^ кровли выработки, которое будет равно

где V — плотность пород в пределах свода обрушения.

Отсюда давление на единицу длины выработки определяется как произведение площади свода обрушения на плотность

146

ш

Учитывая, что горные породы могут осыпаться, сползать и обрушаться не только из кровли горных выработок, но и с боков, при определеини горного давления часто принимают расчетную схему, показанную на рис. V-9, б. В этом случае полулролет свода обрушения будет равен

где 45°+<р/2 — угол наклона плоскости обрушения к горизонту; ф — угол внутреннего трения пород.

Тогда высота свода обрушения будет ^1= ll^fup,

откуда давление на единицу длины выработки приближенно составит

Из приведенного видно, что при расчете горного давления по методу М. М. Протодьяконова высота свода обрушения действительно зависит только от ширины пролета выработки и свойств горных пород и не зависит от глубины ее расположения. Однако, как показывает практика, этот метод применим в тех случаях, когда свод естественного равновесия не достигает поверхности земли, т. е. формируется на какой-то глубине. Если он достигает поверхности земли или расстояние от кровли выработки до нее меньше двойного размера свода обрушения, давление на крепь горной выработки принимается равным весу всего вышележащего столба пород. При этом давление на крепь в зависимости от физического состояния и свойств горных пород может быть или только вертикальным, или вертикальным и боковым (рис. V-14).

Если свод естественного равновесия формируется значительно ниже поверхности земли в однородных породах без выраженной ориентировки структурно-петрографических и струк-

1 47

Рис. V-16. Нагрузка на крепь при образовании вывалов в твердых и относительно твердых породах (по П. М. Цим-

баревичу).

турно-тектонических элементов, он обычно приобретает симметричное очертание и в зависимости от физического состояния и свойств горных пород давление может быть только вер-

горное давление определяется с учетом развития упругих, упруговязких и вязкопластических видов деформаций горных пород и хрупкого, хрупкопластического и пластического характера их разрушения.

В зависимости от особенностей рельефа поверхности земли, условий залегания горных пород и глубины расположения горных выработок давление на них может быть неравномерно распределенным и косонаправленным (рис. V-15). В этих случаях необходимо учитывать действие тангенциальной составляющей силы тяжести по азимутам падения поверхностей и зон ослабления, особенно если углы их падения более 45°.

В горных породах скальных и полускальных свод обрушения, как уже было отмечено выше, обычно имеет неправильные очертания, его форм'а определяется главным образом структурно-тектоническими элементами рудного или шахтного поля: трещинами, системами трещин, тектоническими нарушениями и их расположением в пространстве. Поэтому метод М. М. Протодьяконова для определения высоты свода обрушения и соответственно горного давления в таких геологических условиях малоприемлем, так как дает грубо приближенные значения, особенно если пролеты выработок значительные, более 5—6 м.

Этот метод целесообразно применять в условиях, когда

ных случаях при определении высоты свода обрушения и количественной оценке горного давления целесообразно исходить из возможных размеров вывалов или мощности зоны нарушенных пород в кровле выработок. Объемы вывалов определяют по данным изучения пространственного расположения сетки вывалообразующих трещин. В соответствии с этим П. М. Цимбаревич предложил определять давление на крепь на единицу

148

Р иа V-17. Расчетная схема для определения давления на крепь при образовании вывала (по Е. М. Пашкину).

Рис. V-18. Схема распределения давления на крелъ ствола шахты (по П. М. Цимбаревичу).

В породах с коэффициентом крепости 2—4, значение коэффициента Кн в зависимости от глубины расположения выработок следует умножать на поправочный коэффициент, определяемый по таблице.

Для расчета горного давления в вертикальных горных выработках в ряде случаев использовался метод П. М. Цимбаре-

максимальное давление на крепь вертикальной выработки ре-

контуру крепи, принимаемый по таблице СНиП.

В СНиП рекомендуется расчет горного давления на крепь вертикальных выработок производить при глубинах, больше

150

Рис. V-19. Схема к рас-

V- V

1

предельных Нир, на которых породы приходят в неустойчивое состояние. Эта глубина определяется по формуле

/^пр = КЯсЖ T]V

где Япр—предельная глубина, с которой горные породы вдоль

пород в условиях естественного залегания, принимается по

напряжений по контуру выработки, равный на протяженном

горное давление не рассчитывают, а мощность крепи определяют по нормам.

Боковое давление на крепь выработки П. М. Цимбаревич рекомендует определять исходя из предположения, что давление создается призмой сползающих боковых пород, пригруженных породами свода обрушения (рис. V-19). В этом случае горизонтальное давление на крепь на уровне кровли выработки равно

а на уровне подошвы выработки

Общее боковое давление на крепь выработки на единицу ее длины равно площади трапеции, характеризующей его распределение:

1SI