Таужыныстары механикасының негіздері және таужыныстарының қысымы.

Жер қойнауында таужыныстары кернеулік табиғи тепе-теңдік жағдайда болады. Мұндай кернеулік жағдай таужыныстарының әрбір бөлшегіне оларды қоршаған ортаның массаларының түсіретін қысым күштерінің әсерлерінен туындайды.

Жер бетінен белгілі бір тереңдікте шартты түрде в-в, жазықтығын жүргіземіз (1-сурет, а). Осы тереңдіктегі таужынысының әрбір бөлшегі оны қоршаған орта тудыратын қысым күштерінің әсерінен кернеулі тепе-теңдік жағдайда болады.

1-сурет. Сілемдегі кернеулер.

Мұндай жағдайда, жер қойнауының сілемдері бұзылмаған кезде таужыныстарының сыртқы күштердің әсерінсіз өздігінен қозғалуға, иілуге және пішінін өзгертуге мүмкіндігі болмайды. Бірақ-та, осы жазықтықта кез келген бағытта қазба жүргізілсе (1-сурет, ә), онда таужыныстарының кернеулік жағдайларыда өзгереді, яғни олардың тепе-теңдік шарттары бұзылады. Кернеулік күштердің әсерінен таужыныстарының бөлшектері ашылған кеңістікке қарай жылжуға тырысады.

Жерасты қазбаларын жүргізу нәтижесінде сілемде туындайтын мұндай құбылысты деформация деп атайды. Осы деформациялар әрі қарай өрбіп таужыныстарының казба ішіне құламауы үшін сілемде жүргізілген қазбалар әр түрлі бекітпелермен бекітіледі. Қазбаның ішіне орнатылған бекітпелер, таужыныстарың опырылып құлауына кедергі бола отырып, қазбаға түсетін таужыныстарының қысымын қабылдап алады.

Таужыныстарының қысымы (тау қысымы) – деген ұғымның негізгі ресми анықтамалары:

­ таужыныстарының қысымы (тау қысымы) – тау-кен қазбаларын қоршаған ортада туындайтын күштер. Таужыныстарының қысымы (кернеуі) таужыныстарының салмағынан және тектоникалық күштерден, сонымен қатар температуралық градиенттерден туындайды (терминологический словарь. Горное дело. М.Недра, 1990).

­ таужыныстарының қысымы (тау қысымы) – тау-кен қазбаларын қоршаған ортадағы таужыныстарында болатын күштер, олар туындаған (әсерленген) кезде тау-кен қазбаларында деформацияларды болдырмас үшін бекітпелерді орнату керек. (Справочник по Горному делу. Том II. Москва, 1961 г.).

Қорыта келе ұғымның негізгі мәні:

­ Таужыныстарының қысымы (тау қысымы) деп – жерасты қазбаларын жүргізудің салдарынан пайда болатын және осы қазбаларды қоршаған ортаның деформациясын туындататын таужыныстары сілемінде өрбитін кернеулерді немесе күштерді атайды.

Таужыныстарының қысымының сипаттамасы мен мөлшерлері сілемнің геологиялық шарттарына (таужыныстарының физикалық-механикалық қасиеттеріне, жату шарттарына және сулылығына), қазбаның жер бетінен есептегендегі орналасу тереңдігіне, оның көлденең қимасының пішіні мен өлшемдеріне, қазбаларды өту және бекіту тәсілдеріне, т.с.с. жағдайларға тәуелді болады.

Таужыныстары қысымының туындауының негізін салмақ күштері құрайды, себебі жоғары деңгейлерде жатқан таужыныстары өзінің салмағын олардан төмен жатқан таужыныстарына түсіреді, ал олар өз кезегінде осы түскен қысымға қарсы әрекет етеді. Қарапайым шарттарда осы күштердің шамалары өзара тепе-тең болады, яғни таужыныстары кернеулі жағдайда болады.

Бұзылмаған сілемді жерасты қазбалары кесіп өткен кезде қазбалардың маңайындағы ортада кернеулер қайтадан бөлінеді, осының салдарынан таужыныстары әртүрлі деформациялық жағдайларға ұшырай отырып тепе-теңдіктің жаңа түріне келуге тырысады.

Серпімді деформациялар өзінің абсолюттік өлшемдері бойынша әдетте өте аз мөлшерде болады және тез арада ыдырайды. Сондықтанда қазбаларды жүргізген кезде, таужыныстары деформациясының шамасы серпімділік шегінен артық шықпаған кезде, қазба бекітпесіне ешқандай қысым күштері түспейді. Сондықтанда мұндай жағдайларда қазба кеңістігі ұзақ уақыт (t) бекітпесіз тұра алады.

Мысалы, көлденең қимасының өлшемдері әжептәуір үлкен, бірақ-та, қатты бекем таужыныстары сілемінде жүргізілген жерасты қазбалары іс жүзінде ұзақ уақыт бекітпесіз өлшемдерін өзгертпей тұрулары мүмкін.

Бірақ-та, таужыныстарының барлығы бекем болмайды, ал жерасты қазбаларының көлденең қималарының өлшемдері әжептәуір үлкен болуы мүмкін. Осындай шарттарда жерасты қазбаларының маңайындағы серпімді деформациялар пластикалық (созылымды, иілмелі) деформация күйіне көшеді. Осының салдарынан сілемдегі таужыныстарының тұтастығы бұзылады соның салдарынан олар опырыла бастайды. Деформациялардың өзгеру кезеңдерін, әдетте, қазба төбесінің жарықшақтанып майыса отыра бастауынан көруге болады. Жарықшақтар ұлғайған сайын таужыныстары бөлшектеніп түсе бастайды. Таужыныстарының опырылып түсетін кесектерінің көлемдері олардың бекемдік және жарықшақтық сипаттарына байланысты болады.

Таужыныстарының опырылу процесі тоқтамаса оның соңы үлкен апатқа әкеп соғады. Мұндай жағдайларда жерасты қазбаларының жобаланған пішіндері мен өлшемдерін сақтап қалу үшін қазбаларды бекіту керек. Бекітпе қазба маңайындағы таужыныстарының қысым күштеріне яғни тау қысымына төтеп беруге тиісті.

Бекітпелерді есептеу үшін, бір тұрғыдан таужыныстарының қысымының шамасы мен бағыттарын, ал екінші тұрғыдан қазбалар өтілген сілемдегі таужыныстарының бекемдік (мықтылық) шамаларын білу қажет.

Қазба маңайындағы таужыныстарының деформациясын тудыратын кернеулердің өзгеру аймағы белгілі бір жиектермен шектеледі, оларды осы жерасты қазбасының әсер ететін аймағы деп те атауға болады. Қазбаның төбе беткейіндегі таужыныстарында осы аймақ опырылу аймағын, жарықшақтардың үрдере тарау аймағын және опырылуға бейім белсенді аймағын құрайды, яғни қазбаға тікелей қысым түсіруші аймақ болып табылады. Осы аймақтардан тыс жатқан таужыныстары сілеміне қазба ықпал етпейді, бірақ-та уақыт өте келе оның ықпалы сезілуі де мүмкін.

Таужыныстарының бекемдігі (мықтылығы) әдетте олардың үлгілері бойынша анықталынады. Үлгілерді зерттеген кезде мықтылық (беріктік) көрсеткіштеріне осы үлгілердің пішіндері мен өлшемдері әсерлерін тигізеді. Екінші тұрғыдан қарағанда үлгідегі таужыныстарының көрсеткіштері тура дәл сілемдегідей дәлдікті қамтамасыз ете алмайды, себебі таужыныстарының үлгілері қазба өтілген жерлерге жақын маңайлардан кернеу күштері қайта қалыптасқаннан кейін алынады.

Сонымен қатар, зерттелінетін таужыныстарының үлгілерінің физика-механикалық қасиеттері оларды дайындау және зертханаға жеткізу кезеңдерінде де өзгереді.

Мысалы, үлгінің сулылығы өзгереді, ал соның салдарынан көптеген таужыныстарының бекемдігіде өзгереді.

Жерасты қазбаларын жүргізу салдарынан туындайтын таужыныстарының деформацияларын байымдау соңғы кездерде математикалық моделдеу әдістері негізінде жүргізіле бастады. Бірақ-та, бұл құбылыстарды зерттеу үшін тек математикалық әдістерді қолдану үлкен қиындықтарға әкеліп соғады.

Себебі, таужыныстары қысымының дәлелденген нақты, тау-кен ісінің барлық көп тармақты мәселелерін қамтитын теорияларының жоқтығынан амалсыздан жекеленген іс жүзінде туындайтын мәселелерді негізгі белгілі құбылыстарды түсіндіретін гипотезаларға сүйене отырып жуықтап шешуге мүмкіндік бар. Осы әдістерді қолдана отырып таужыныстары қысымының шамамен бекітпе түрін таңдап алуға мүмкіндік тудыратын мөлшерін анықтауға болады. Таужыныстары қысымының математикалық әдіспен анықталған жуықтап алынған мәндерін іс жүзінде қолдануға толық болады. Себебі, сілемдегі таужыныстарының физика-механикалық параметрлерінің шамаларының дәлдігі де аса жоғары емес.

Есептеу жолдарымен анықталған таужыныстары қысымының параметрлері тек қана оның сандық шамаларының мәнін табу мақсатында жүргізілмейді. Сонымен қатар есептеу барысында тау қысымының мөлшерінің қандай шарттарға тәуелді екендігін анықтау мәселелеріде көзделеді.

Таужыныстары қысымын зерттеу жұмыстары өте ертеден ұзақ жылдар бойы жүргізіліп келеді. Осы мәселелерді шешуге ТМД және алыс шет елдердің көптеген белгілі ғалымдары (Бирбаумер, Динник, Энгресер, Коммерель, Мим мен Юнг, Протодьяконов, Риттер, Слесарев, Цимбаревич және т.с.с.) ат салысты.

Таужыныстары қысымын зерттеудің алғашқы кезендерінде жерасты қазбаларының маңайындағы және жер бетіне жақын жатқан аймақтарды оларды құрайтын таужыныстарының физика-механикалық қасиеттеріне сүйене отырып зерттеді. Бірақ-та, таужыныстары қысымының жер бетінен қазба жүргізілген қабатқа дейінгі әсерлерін түсіндіру үшін бұл мағлұматтар жеткіліксіз болып шықты.

Таужыныстары сілемінің жағдайын бағалау кезінде екі түрлі көзқарас болды. Бірінші, алғашқы кездегі көзқарас бойынша сілемде көптеген жарықшақтар болу салдарынан таужыныстары жекеленген бөлшектер мен түйіршіктерге бөлінуіне байланысты тау-кен сілемін өзара байланыссыз, сусымалы денелер есебінде қарастырады, осыған орай оларға тау жыныстары механикасының заңдылықтарын қолдануға болады деп есептеді. Екінші көзқарас бойынша таужыныстары сілемін тұтас серпімді орта деп санай келе, оларда туындайтын мәселелерді шешуге серпімділік заңдарын қолдану керек деп тапты.

Таужыныстары қысымының әр түрлі жекеленген мәселелерін шешу үшін кен орындарының, әсіресе көмір кен орындарының, құрылысын тақтайша-қабатты орта деп есептей отыра материалдардың кедергілік теориясының әдістерінде қолданады.

Таужыныстары қысымының заманауи гипотезаларында таужыныстары-ның сілемін серпімді-пластикалық орта деп есептейді және оларды есептеу үшін серпімділік пен пластикалық шарттардың теориялық әдістерін қолданады.

Таужыныстары қысымының бірізді ңақты теориясы болмағанымен таужыныстары қысымының әрекеттерін сипаттайтын негізгі факторлар анықталды деп есептеуге болады. Олардын қатарына мына факторларды жатқызуға болады:

· Таужыныстары сілемінің кернеулі жағдайлары мен таужыныстарының физика-механикалық қасиеттері;

· Жерасты қазбаларының пішіндері мен өлшемдері және олардың кеңістіктегі орындары;

· Таужыныстарының тіреусіз тұру мерзімі (уақыт факторы);

· Қазба орналасқан орынның жер бетінен тереңдігі.