Геомеханические процессы при подземных разработках. Практикум

№ 3592 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра геологии и маркшейдерского дела

Ю.Б. Несмеянова

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПОДЗЕМНЫХ РАЗРАБОТКАХ

Практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2020

УДК 55:622 Н55

Р е ц е н з е н т доц., канд. техн. наук Д.Л. Негурица

(ФГБОУ ВО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе)

Несмеянова Ю.Б.

Н55 Геомеханические процессы при подземных разработках : практикум / Ю.Б. Несмеянова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 40 с.

Рассмотрены основные геомеханические процессы, происходящие в породном массиве и на земной поверхности при ведении подземных горных работ. Разработаны задания, позволяющие студентам получить практические навыки по оценке влияния геомеханических процессов на безопасность и эффективность ведения горных работ, а также по снижению данного влияния путем применения специальных способов ведения горных работ.

Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело».

УДК 55:622

Несмеянова Ю.Б., 2020

НИТУ «МИСиС», 2020

3

ВВЕДЕНИЕ

При ведении горных работ по добыче полезных ископаемых или строительству подземных сооружений горнорабочие сталкиваются с геомеханическими процессами, происходящими в породном массиве и влияющими на безопасность и эффективность горных работ.

Геомеханические процессы проявляются в виде перемещений, деформаций и разрушений породного массива вокруг горных выработок, формирования нагрузки на крепь. Они могут проявляться незначительно в виде локальных разрушений массива и деформаций крепи или захватывать обширные территории и нести грандиозные разрушения не только в подземном пространстве, но и на подработанной территории. Геомеханические процессы, происходящие в породном массиве, можно разделить на три большие группы:

1)формирование напряженного состояния массивов пород и его изменение в процессе проведения горных выработок;

2)динамические процессы и явления в массивах горных по-

род;

3)сдвижение горных пород, проявляющееся в самых разнообразных формах.

На протяжении многих десятилетий с момента начала становления геомеханики как науки, основными ее задачами являются изучение геомеханических процессов, происходящих

впородном массиве, и разработка методов управления ими для обеспечения безопасности ведения горных работ и повышения эффективности и надежности технологических процессов [5].

4

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ

Пояснительная записка оформляется на листах формата А4

впечатном виде. Она должна содержать: наименование работы и ее цель, исходные данные, необходимые расчеты с пояснениями, таблицы, графики, рисунки, выводы по работе. Все таблицы

впояснительной записке нумеруются и подписываются. Вычисления должны быть полные и иметь четкий логический порядок получения результатов. Ответы без формул и подробных расчетов не засчитываются. Титульный лист оформляется в соответствии с формой, установленной вузом.

Все графические построения выполняются тушью и гелиевыми ручками. Линейные построения производятся с предельной графической точностью (0,1 мм), выраженной в масштабе черте-

жа. Угловые измерения с использованием геодезического транспортира выполняются с точностью 15′. Результаты вычислений должны соответствовать точности исходных данных и предельной графической точности.

5

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Напряженно-деформированное состояние вокруг горных выработок

Формирование напряженного состояния массивов пород и его изменение в процессе проведения горных выработок заключается в том, что ненарушенный горными выработками породный массив уже находится в напряженном состоянии под действием гравитационных, тектонических, водо- и газодинамических сил. Такое напряженное состояние называется естественным (природным) напряженным состоянием. При проведении выработок природное поле напряжений в породном массиве изменяется, происходит перераспределение напряжений, вокруг выработки образуются области с отличными от природного поля напряжениями – техногенные поля напряжений.

По-другому, все действующие при проведении горных выработок техногенные поля напряжений можно назвать горным давлением, а все геомеханические процессы – проявлением гор-

ного давления.

Наибольшее влияние на ход горных работ горное давление оказывает при ведении очистных работ. Это связано с тем, что очистные выработки имеют значительно большие размеры по сравнению с капитальными и подготовительными выработками; непрерывно подвигающийся забой, обусловливающий изменение поля статических напряжений вокруг выработки; высокую интенсивность воздействия технологических процессов, а также существенно меньшее время эксплуатации. Все эти особенности ведут к увеличению зон упругих и неупругих деформаций, а также к постоянным изменениям действующих в породном массиве напряжений.

Многолетнее изучение геомеханических процессов, происходящих в породных массивах при ведении горных работ, позволило определить закономерности изменения полей напряжений и составить общую схему распределения напряжений вокруг проводимой выработки (рис. 1.1).

Так, над и под выработанным пространством образуется область разгрузки, характеризующаяся пониженными относительно нетронутого массива нормальными напряжениями,

6

действующими перпендикулярно напластованию. Она имеет

всечении форму двух полуэллипсов, общая ось которых равна ширине выработки D. Размеры полуосей, характеризующих полуэллипсы в под- и надработанной частях массива, в условиях разработки тонких и средних пластов угля колеблются обычно

вподработанной толще – (0,7…1,2)D и редко превышают 250 м и в надработанной толще – 30…40% от размеров полуоси в подработанной толще. С увеличением угла падения пород размер полуоси в подработанной толще уменьшается, а в надработанной – увеличивается. При угле падения равном 90°полуэллипсы

впод- и надработанной толщах становятся одинаковыми [1].

Рис. 1.1. Перераспределение напряжений вокруг горной выработки: 1 – угольный пласт; 2 – горная выработка (очистная); 3 – область разгрузки; 4 – область ПГД; 5 – область полныхсдвижений

Горные породы в зоне разгрузки расширяются и смещаются в сторону выработанного пространства, за счет чего и происходит снижение напряжений. По мере удаления от выработанного пространства степень расширения пород уменьшается, а уровень действующих напряжений приближается к значению напряжений природного поля.

7

Свойства данной области используются при реализации региональных мер управления горным давлением в целях снижения высоких природных напряжений, действующих на участке месторождения, проектируемом для разработки.

Однако необходимо знать, что в области разгрузки трещиноватость пород увеличивается, что приводит к снижению прочности породного массива.

Над и под нетронутым массивом, граничащим со стенками выработки, или же в над и под оставленными целиками возникает область повышенного горного давления (ПГД) или, как ее часто называют, область опорного давления (см. рис. 1.1). В этой области нормальные напластованию напряжения больше, чем в нетронутом массиве. Она граничит с областью разгрузки. Ширина области опорного давления l в плоскости пласта по данным натурных наблюдений колеблется обычно в пределах (0,1…0,3) H, где H – глубина разработки. Большой диапазон изменения ширины объясняется не только ее чувствительностью к ряду влияющих факторов, но и различием методов определения и условностью критериев, по которым устанавливается граница области опорного давления [1].

Распространение области опорного давления в породы почвы пласта примерно равно ширине области опорного давления в плоскости пласта, а распространение в сторону кровли пласта превышает ширину этой области в 1,2–1,5 раза. Проявление опорного давления наблюдалось в породах кровли на расстоянии 170 м от пласта и в породах почвы – 110 м. При наличии целиков в выработанном пространстве эти расстояния существенно увеличиваются и достигают 250 м в породах кровли и 150 м в породах почвы [1]. По мере удаления от горной выработки в породный массив влияние области снижается, происходит эффект рассеивания напряжений и на границе области они соответствуют природному полю напряжений. За границу области опорного давления, как правило, принимают точки, в которых горное давление равно начальной величине gH, где g – объемный вес налегающих пород, или отклоняется от этой величины не более чем на 5%.

Возникновение и местоположение областей разгрузки и опорного давления можно описать, сравнив породный массив с балкой, лежащей на трех опорах и находящейся в покое (для массива пород – это природное поле напряжений) (рис. 1.2, а).

8

а

б

Рис. 1.2. Перераспределение напряжений в конструкции после удаления одной из опор: а – система в равновесии; б – нарушение равновесия системы при удалении одной из опор

Если убрать центральную опору (провести горную выработку в породном массиве), то можно увидеть, что балка начнет прогибаться (в породном массиве породы будут перемещаться в сторону выработанного пространства, начнутся деформации), при этом в деформируемых частях будут снижаться напряжения, так как любая деформация – это стремление тела снизить действующие напряжения (рис. 1.2, б). В виду того, что породный массив находится под действием объемных всесторонних напряжений, то деформации будет подвержена не только кровля, но и почва выработки, но в меньшей степени, так как на нее не будет действовать gH вышележащих пород. Поэтому над и под выработанным пространством возникает область разгрузки.

В то же время, на опорах, совместным действием веса оставшейся без опоры части балки (в массиве – веса покрывающих пород) и суммой изгибающих моментов зависающей балки (в массиве – моментов зависающих пород над выработанным пространством), нагрузка увеличивается (в массиве функцию опор выполняет породный массив в стенках выработки и призабойная часть массива). Поэтому в боках выработки и впереди забоя образуется область опорного давления.

Третья область – область полных сдвижений образуется над выработанным пространством и оконтуривается на вертикальных разрезах линиями, проведенными от границ выработанного

9

пространства под углами полных сдвижений Ψ1, Ψ2, Ψ3. Она характеризуется перемещением слоев параллельно своему первоначальному положению. Векторы сдвижения в этой области направлены по нормали к напластованию и имеют максимальные для данных условий значения [1].

Используя свойства области полных сдвижений, можно управлять процессом сдвижения при подработке охраняемых объектов.

Размеры данных областей и степень изменения напряжений в них относительно природного поля напряжений определяются множеством факторов: физико-механическими свойствами пород, слагающих массив, строением толщи и ее нарушенностью поверхностями ослабления, параметрами системы разработки (глубиной разработки, вынимаемой мощностью, размером горных выработок, способом управления горным давлением).

1.2. Проявлениегорного давления. Динамические явления

В совокупности с горно-геологическими, горно-технически- ми условиями разработки, исходным напряженным состоянием породного массива (гравитационным, гравитационно-тектони- ческим или гидростатическим) возникающие при проходке выработок области определяют параметры проявлений горного давления на участке горных работ [2]:

–формы проявления горного давления (статические или динамические);

–места локализации проявления горного давления (в кровле, боках выработок);

–масштабы проявления горного давления (локальные, региональные).

Формы и масштабы проявлений горного давления определяются действующими напряжениями и прочностью массива горных пород.

Горное давление имеет две формы проявления: статическую

идинамическую. Статическое проявление горного давления – постепенное разрушение массива в течение длительного времени. Динамическое проявление горного давления (горные удары) – мгновенное разрушение породного массива.

10