Естественное поле напряжений массива – гравитационно-тектоническое.

Вертикальные выработки.

Как следует из общих закономерностей распределения напряжений вокруг выработок, в неравно-компонентном поле напряжений (s₁;s₂) вообще, а при действии тектонических напряжений s₁=s_Т, в частности, наиболее устойчивой формой поперечного сечения является эллиптическая. Об этом, в частности, свидетельствуют типичные формы сечений вертикальных выработок (рудоспусков) Центрального рудника ОАО «Апатит» после нескольких лет эксплуатации (рис.3.20).

Рис. 3.20. Типичная форма сечения вертикальной выработки (рудоспуска) в условиях неравнокомпонентного поля напряжений (Рудник «Центральный» ОАО «Апатит»)

При этом длинная ось эллипса должна быть ориентирована параллельно вектору напряжения s_Т. Для создания равномерного распределения напряжений по всему контуру выработки соотношение большой и малой полуосей эллипса (a и b) должно быть a/b=s₁/s₂.

Горизонтальные выработки.

В условиях действия в массиве тектонических напряжений s₁=s_Т, существенно превышающих гравитационные напряжения, важную роль играет ориентация капитальных и подготовительных выработок, рассчитанных на длительный срок службы. Их рационально ориентировать в направлении, наиболее близком к направлению действия тектонических сил. В этом случае нормальные напряжения на контуре распределяются более равномерно по периметру выработки (рис. 3.21) и в направлении, нормальном к продольной оси выработки, составляют около 0,7 s₁, а в направлении, совпадающем с осью выработки, равны s₁.

Рис 3.21. Распределение напряжений на контуре горизонтальных выработок, пройденных по направлению действия горизонтальных тектонических сил (а) и перпендикулярно к этому направлению (б).

s₁—горизонтальные тектонические силы; s_q —тангенциальные напряжения s_n— напряжения, направление которых параллельно оси выработки.

Если же горизонтальные выработки по условиям технологии невозможно расположить в оптимальном направлении, то им целесообразно придавать шатровую форму свода (рис. 3.22), которая наиболее устойчива вследствие уменьшения размеров зоны хрупкого разрушения пород на контуре. Параметры расчетного контура сечения определяются соотношениями: m = (0,10 - 0,15)d; r = 0,75d, d' = 0,9d.

Рис 3.22. Шатровая форма свода горизонтальной выработки

а — общий вид, б — схема построения расчетного контура сечения

Вообще сводчатые выработки в условиях неравно компонентного поля напряжений относительно более устойчивы, когда наибольший размер выработки расположен вдоль действия s₁=s_Т. Однако, выбор устойчивых форм поперечных сечений горизонтальных выработок необходимо производить с учётом направления действия s_Т (рис.3.22). В частности, при субгоризонтальном направлении s_Тболее устойчивы выработки с шириной больше высоты и с уменьшенным подъёмом свода, а также с шатровой формой поперечных сечений (рис. 3.23 а,в). При наклонном направлении s_Тболее устойчивы выработки со скошенным сопряжением кровли и стенки или со смещённым положением шатровой кровли (рис. 3.23 б,г).

Рис. 3.23. Устойчивые формы поперечного сечения выработок при горизонтальном и наклонном направлении действия максимальных напряжений.

а – плоская кровля; б – кровля со скошенным сопряжением кровли со стенкой ; шатровая; г – кровля со смещённым шатром.

При субвертикальном направлении s_Тцелесообразно применять формы поперечного сечения, показанные на рис. 3.24.

Рис.3.24. Устойчивая форма сечения выработки при субвертикальном действии максимальных напряжений.

При сбойке пересекающихся выработок места сбойки необходимо назначать в наименее напряженных зонах (рис. 3.25).

Рис 3.25. Условия сбойки пересекающихся выработок

а и б — рекомендуемые варианты, в — неблагоприятный вариант; 1 — горные выработки, 2 — контур зоны повышенных напряжений

При этом в зависимости от соотношения конкретных величин действующих напряжений и прочностных характеристик массива пород в выработках могут иметь место различные типы проявлений горного давления – статические или динамические.

Всё изложенное позволяет сделать общий вывод о том, что весьма эффективным средством управления состоянием массива пород вокруг вертикальных и горизонтальных выработок является выбор оптимальной формы их поперечного сечения и оптимальная ориентация сечений и самих выработок в пространстве.