книги из ГПНТБ / Вскрытие и разработка рудных месторождений на больших глубинах докт. техн. наук, проф. Г. М. Малахов, инж. А. П. Черноус. 1960- 19 Мб

Важную роль в проявлениях горного давления играют фи­ зико-механические свойства горных пород, которые зависят от их структуры, условий залегания, вещественного и грануломе­

трического состава. Напряженное состояние горных пород в со­ ответствии с физико-механическими их свойствами изменяется,

монолитных и трещиноватых. При изменении состояния горных пород их физико-механические свойства, численные значения

постоянных, характеризующих последние, претерпевают зна­ чительные изменения.

Так, например, при ведении горных работ с обрушением свойства обрушенной руды и пород, заполняющих пространство отрабатываемого блока, существенно отличаются от свойств той же руды и боковых пород в массиве. В то же время меха­ нические свойства породы в куске после разрушения массива почти не изменяются. Поэтому для характеристики массива мы не можем пользоваться численными показателями свойств горной породы, полученными при лабораторных испытаниях.

Глубокий теоретический подход к объяснению проявлений горного давления требует тщательного изучения физико-механи­

ческих свойств горных пород в массиве на базе натурных на­ блюдений.

Свойства породы вблизи горной выработки существенно отличаются от свойств горных пород в массиве. Поэтому при

решении вопросов горного давления надо рассматривать про­ цессы, происходящие не только в зоне очистных работ, но и в толще горных пород, простирающейся до поверхности.

Современное состояние изученности закономерностей про­ явления горного давления облегчает решение практических за­ дач, однако законченная и общепризнанная теория горного давления еще не создана.

§ 2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД, ОКРУЖАЮЩИХ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

Представление о распределении напряжений в породах,

окружающих горные выработки, можно получить, рассматри­ вая горный массив как упругую изотропную среду. Такое допу­

щение справедливо для пород, сохраняющих в известной мере

свои упругие свойства. При псевдопластических деформациях меняется распределение напряжений и их концентрация.

Кроме того, следует иметь в виду, что в некоторых породах при наличии поверхностей ослабления вблизи выработок про­ исходит деформация сдвига, что выравнивает распределение напряжений. При этом деформирующиеся горные породы мо­ гут оказывать сильное горное давление на крепь вырабо­ ток.

Несмотря на то, что распределение напряжений вокруг вы­ работок в ряде случаев отличается от того, которое имеет место при упругой изотропной среде, применение метода фотоупру­ гости с целью изучения этого явления имеет практическую цен­ ность. При помощи этого метода удалось получить представ­ ление о расположении зон с наибольшей концентрацией на­ пряжения и сделать важный вывод о том, что напряженное состояние пород в зоне горных работ значительно осложняется взаимным влиянием выработок.

[4, 5], исходя из условия упругих напряжений у выреза в изо­

тропной среде.

На рис. 4 показано распределение главных нормальных на­

опорное давление вблизи стенки выработок.

В кровле и почве выработок возникают отрицательные зна­

чения составляющей amln, что указывает на возникающее рас­ тяжение, распространяющееся в глубь массива на ‘Д ширины

выработки.

20

Максимального значения касательное напряжение достигает у углов выработки, превышая в 1,5—2 раза величину касатель-

двухосном сжатии по резуль­ татам расчетов

ных напряжений в нетронутом массиве. Распределение каса­ тельных напряжений ттах показано на рис. 5.

на рис. 6.

На рис. 7 и 8 показаны линии равных главных нормальных напряжений вокруг выработок круглой и сводчатой формы.

21

Сравнивая распределение напряжений в кровле этих вы­ работок, можно убедиться, что наличие боковых вертикальных стенок практически мало влияет на распределение напряжений над сводом выработок. В связи с этим К. В. Руппенейт [12, 14]

высказал предположение о том, что при определении напряжен­

ного состояния пород кровли можно не считаться с формой

происходит гидростатически и не зависит от формы выработки,

О

Расчетные напряжения

Действительные

напряжения

Зона влияния ——I

выработки

Расстояние от центра выработки

Рис. 10. Кривые изменения напряжений в породах, окружающих выработку

Эта предпосылка позволила развить идею «кольца напряже­

ния» (рис. 9), окружающего любую выработку, и, используя простые формулы, определить математическим путем величину нормальных и тангенциальных напряжений в окружающем выработку массиве пород (рис. 10).

Принимая величину первоначальных напряжений в массиве горных пород равной Q и предполагая, что такая величина на­ пряжений сохраняется на расстоянии г от центра цилиндриче­

ской выработки, описанной радиусом а, получим, что танген­

22

Из формул (3) и (4) следует, что на контуре выработки при г = а тангенциальное напряжение равно 2Q, а нормальное нулю. На расстоянии г = 2а тангенциальное напряжение умень шается до 1..25Q, а радиальное возрастает до 0.75Q,

Из этих исследований можно сделать вывод, что, чем боль­

ше размеры выработок, тем больше пояс кольцевых напряже­

ний, величина же тангенциальных напряжений не зависит от

размера выработки.

Для изучения вопроса о влиянии смежных выработок на

величину напряжений, имеющих место на их контуре, рассмо­ трим следующий случай.

Рис, 11. Распределение напряжений в породах, окру­ жающих смежные выработки (по Сполдингу)

Вблизи камеры А (рис. 11) проходится параллельная вы­ работка В.

Как известно, вокруг камеры А имеется кольцевая зона напряжений. Предположим, что мы задались целью определить размеры этой зоны. Задаваясь величиной нормального напря­ жения I’/ieQ и пользуясь формулами (3) и (4), можно опреде­ лить, что величина этой зоны очерчивается утроенным радиу­

сом выработки.

Выработка В, которая проходится в зоне влияния камеры А, будет иметь на своем контуре напряжения, которые являются функцией не первоначального напряжения в массиве Q, а уве­ личенного напряжения, обусловленного проходкой камеры.

Если выработка В находится на таком расстоянии от ка­ меры А, что нормальное напряжение равно l’AQ, то танген­ циальное напряжение на контуре выработки В будет

’ = (! + <)

или при а = г

t = 2,5Q.

22

Следовательно, в случае смежных выработок наибольшие напряжения возникают на контуре меньшей из них, что имеет, как мы увидим дальше, большое практическое значение.

ближаться к полушарию. В этом случае размеры зон взаимного*

Рис. 13. Распределение нормальных напряжений Оу в целике между двумя круглыми выработками (по Д. И. Шерману)

влияния будут значительно меньше, а максимальное напряже­ ние не превысит 1,5Q.

При проходке горизонтальных выработок вблизи вертикаль­ ных влияние взаимного пересечения зон напряжений на величину максимального напряжения меньше и практически.

24

может не учитываться. Это объясняется тем, что зоны кольце­ вых напряжений таких выработок пересекаются под прямым7

углом друг к другу (рис. 14).

Повышенная концентрация напряжений вокруг контура выработки, превышая предел сопротивления горной породы' двухосному сжатию, вызывает \

в докладе на Лейпцигской конференции по горному давлению (1958 г.) с ссылками на так называемую зону Тромпетера.

§ 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОРОДАХ, ОКРУЖАЮЩИХ ОЧИСТНЫЕ ЗАБОИ

Изучение вопроса о распределении напряжений вокруг очи­ стных выработок, имеющих различную форму и значительное обнажение, представляет интерес для объяснения причин про­ явления горного давления.

Наиболее распространенной и получившей подтверждение на практике при непосредственных наблюдениях является гипо­ теза свода, базирующаяся на принципе распределения усилий в любом арочном сооружении [9]. При этом максимальные на­ грузки сосредоточиваются в пятах — опорах свода, а над выра­ боткой образуется как бы породное ядро, разгруженное от

25-

давления (рис. 16). Под очистным пространством аналогично располагается участок, разгруженный от давления (ядро обрат­ ного свода).

Рис. 16. Распределение сил над горизонтальной выработкой большого пролета:

В_ изгибающие силы; С — сжимающие силы; L — силы поперечного сжа­ тия; $ — срезывающие силы; 1, 2, 3 и 4 — слои кровельной толщи; а, Ь, с,

'd — силы, действующие близ обнаженных стенок

На рис. 17 показано образование зоны, разгруженной от давления вокруг очистной выработки по Д. Сполдингу [34, 35,

касательных напряжений в целиках и потолочинах при опытах, произведенных в лаборатории Института горного дела АН -СССР. Отношение ширины камер к высоте целика равно /* 3»

J26

Рис. 18. Зона опорного давления у очистного за­ боя: а — по Авершину; б — по Денкхаузу; в — по Фаерману;

1 — зона опорного давления в очистном забое; 2 — зона опор­ ного давления в закладке; 3 — ядро свода, освобожденное от напряжений; 4 — нормальное давление; 5 — очистной забой

27

а ширины к его высоте равно Ул. Цифры на рисунке означают величины напряжений в игдантине в кг/см2.

Опыты показали, что касательные ттах напряжения в це­

ликах достигают своих максимальных значений в центре шахт­ ного поля.

На рис. 21 показано распределение максимальных каса­ тельных напряжений при крутом падении (60°) угольного пла­

ста по В. Ф. Трумбачеву. Аналогичные опыты были проведены

для условий горизонтального и наклонного (30°) падения [17]. Анализ результатов опытов показывает, что значительная кон­ центрация напряжений имеет место возле боковых стенок отка­ точного штрека 1, превышая таковую в вентиляционном штреке 2 в 1,84 раза. В верхнем надштрековом целике 3 ма­ ксимальные напряжения концентрируются на контакте целика с отработанным этажом 4. Величина коэффициента концентра­ ции напряжений в этом пункте в 1,66 раза больше, чем в цен­ тре целика. Максимальная концентрация напряжений в ниж­ нем надштрековом целике 5 имеет место на его контуре у очи­

стного пространства. Коэффициент концентрации напряжений на контуре целика на 81% больше, чем в центральной его> части.

28