Влияние горных работ на напряженно-деформированное состояние массива горных пород. Способы управления состоянием массива.

Горные работы (проведение выработок, очистная выемка полезного ископаемого) вносят существенные изменения в естественное поле напряжений. Породы, окружающие выработки, начинают испытывать иное напряженно-деформированное состояние, которое зависит от физико-механических свойств и строения пород, наличия нарушений, формы, размеров и числа пройденных выработок, глубины их расположения и других факторов.

В крепких сплошных породах, обладающих ярко выраженными упругими свойствами, одиночные выработки обычно не вызывают заметных деформаций окружающего массива. Контур выработки, особенно при гладком взрывании, хорошо сохраняет сводчатую или круглую форму. Упругие деформации вокруг забоя заканчиваются сразу после взрывных работ и остаются не замеченными.

Распределение напряжений в прилегающем к выработке массиве и деформации контура выработки в сплошных прочных породах определяют, пользуясь расчетными методами упругой среды. Такая задача для выработки круглого сечения впервые была решена Б. Киршем в 1898 г. и затем проверена многими исследователями.

Выработка круглого сечения радиусом α находится под воздействием вертикального и горизонтального напряжений. На элементарный объем горной породы на расстоянии r от центра выработки действуют нормальное (радиальное) и касательное напряжения.

Распределение напряжения вокруг горной выработки круглого сечения

в упругих породах

При одновременном воздействии и :

Если , , то значения этих напряжений находятся из уравнений:

В условиях гидростатического давления, когда

Максимальное напряжение на контуре выработки , а . Удаляясь от контура выработки, они стремятся к величине в нетронутом массиве.

При характер кривых и будет отличаться только по величине.

Для случая гидростатического давления , а будет одинаковым во всех направлениях. Деформации контура выработки в случае можно определить из условия , которое в нашем случае может быть записано в виде выражения

.

Если подсчитать деформацию выработки радиусом a = 1,5 м в гранитах Е = 6∙ кПа на глубине 500 м, когда а можно найти, что ∆а=0,75 мм, т.е. деформации контура выработки в прочных упругих породах весьма малы и почти незаметны.

Распределение напряжений и деформаций вокруг выработки круглого сечения в пластичных породах

В слабых горных породах (или сильно нарушенных трещинами) после проведения выработок возникают квазипластические деформации, проявляющиеся в виде вдавливания пород внутрь выработки, отслоений, вывалов и интенсивного трещинообразования. Вокруг выработки образуется пластическая зона или зона пониженных напряжений I. Далее за ней располагаются: зона упругих деформаций или повышенных напряжений II, зона первоначальных напряжений III см. рис.

Для определения напряжений в окружающих выработку пластичных (квазипластичных) породах применяются расчетные методы теории пластичности.

На элементарный объем горной породы, расположенный внутри пластической зоны, действуют радиальные и нормальные напряжения:

где a ≤ r ≤ c.

Распределение напряжений и в породах, окружающих выработку, характеризуется тем, что в зоне I (пластических деформаций) величина напряжений значительно меньше, чем в зоне II (зоне упругих деформаций). Изображение границ зон I и II в виде концентрических окружностей характерно для идеально пластичных материалов. Фактические эпюры нагрузок на крепь выработок зависят от свойств и строения пород, их нарушенности и неоднородности, характера взаимодействия крепи с окружающим массивом и поэтому могут в каждом конкретном случае иметь различные конфигурации.

Деформации контура выработки в склонных к пластичности породах развиваются постепенно, по своему характеру близки к пластическому течению и ползучести. На практике конвергенцию (сближение) боков выработки обычно замеряют непосредственно в натуре, так как расчетные методы не всегда дают надежные результаты. Податливость крепи и ее конструкция должны согласоваться с данными деформирования пород и их напряженного состояния.

Проведение сближенных взаимовлияющих друг на друга выработок вносит существенные изменения в напряженное состояние окружающего их массива горных пород, особенно в расположенные между ними целики.

Вследствие того, что ширина зоны повышенных напряжений вокруг выработки пропорциональна ее размеру, выработка малого поперечного сечения, попадая в зону влияния большой выработки, будет испытывать повышенные напряжения, и для ее сохранности потребуется более усиленное крепление. Подобные задачи были решены Д.И. Шерманом и Г.Н. Савиным.

Камерная выработка радиусом 3R вызывает увеличение напряжений на контуре выработки радиусом R при ширине целика между ними, равном R, на 30 – 70 %. Выработка меньшего сечения на напряженность пород вокруг большой выработки практически не влияет.

Как следует из схемы, концентрация напряжений в целике будет максимальной, что может быть причиной его деформации, а в крепких хрупких породах – даже взрывоподобного разрушения. Для сохранности целика параллельные выработки целесообразно располагать на таком расстоянии друг от друга, когда их взаимное влияние исключается.

Распределение напряжений вокруг сближенных выработок круглого се­чения в упругих породах (по Д.И. Шерману)

Наиболее существенные изменения состояния массива горных пород происходят в процессе очистной выемки полезного ископаемого. При подработке вышележащих пород на прилегающий к выработанному пространству массив создается опорное давление, величина которого может быть значительно больше γН. Зона максимального опорного давления начинается сразу за зоной пластических деформаций, затем постепенно снижается по мере удаления от выработанного пространства и достигает первоначальных значений . При слабых и сильно трещиноватых породах зона пластических деформаций бывает больше, чем при крепких.

Проявление опорного давления:

Величина опорного давления зависит от природных факторов:

- глубины залегания

- свойств пород

от технических факторов:

- от размеров выработок

- взаиморасположения выработок

- от способа поддержания очистного пространства.

На основе анализа эпюры опорного давления можно сделать выводы применительно к горнотехническим условиям, где опорное давление сыграет существенную роль.

Так при 2-х выработках, если расстояния между ними меньше l₁ + l₂ (1 и 2 – индексы выработок), опорное давление в интервале между ними возрастает по сравнению с одиночной выработкой.

Опорное давление при обособленных (а- расстояние между выработ­ками больше (l₁+l₂ ) и сближенных (б, в— расстояние между выработками меньше (l₁+l₂) выработках:

Эпюры по линии 1—1 для вертикальных сжимающих напряжений; z₁ — опорное давление от правой выработки; z₂ — то же, от левой; z₁+z₂ — суммарное опорное давление.

Отсюда вывод: при большом горном давлении или непрочном породном массиве выработки следует располагать одна от другой на L> l₁ + l₂.