Тема 5 Горное давление

До проведения выработки массив горных пород всегда на­ходится в равновесном напряженном состоянии или в состоянии объемного сжатия. Напряженное состояние вызывается грави­тационными силами (силами тяжести горных пород), обусловленными плотностью пород. На эти напряжения могут быть наложены напряжения, вызванные тек­тоническими силами, а также напряжения от температурных градиентов. По­следние напряжения проявляются только на очень больших глубинах.

При отсутствии тектонических сил напряженное состояние однородного упругого массива считается известным, если из­вестны величина и направление главных напряжений, вызванных гравитационными силами. В массиве, не имеющем пустот, тектонических трещин и выработок, максимальная величина главных напряжений, действующих в вертикальном направ­лении на горизонтальную площадку равна: σ_z = gH, где g – среднее значение плотности пород (в мас­сиве), ^Т/м^з; Н – глубина от поверхности, м. Для районов, подверженных движениям земной коры, и в зонах тектонических нарушений при отсутствии экспериментальных данных вместо Н принимается расчетная глубина Н = 1,5 Н. Величина называется коэффициентом бокового распора. Напряжен­ное состояние определяется формулой σ_x = σ_y = λ₁ σ_z.

Массив горных пород, лишенный сил сцепления между отдельными структурными блоками, рассматривают как сыпучий, если рассматриваемая область массива превышает в 3 – 4 раза максимальный размер структурного блока (по условию истечения сыпучего вещества из отверстий). Его можно представить раздельно-блочными сыпучими горными породами (типа песков, гравия или щебня), не обладающими сцеплением и характеризующимися только уг­лом внутреннего трения φ. Вертикальные напряжения в этом случае оцениваются так же σ_z = gH. Горизонтальные напряжения как функция глубины равны: , где называется коэффициентом бокового распора для сыпучей среды.

Для районов, подверженных движениям земной коры, и в зонах тектонических нарушений при отсутствии экспериментальных данных вместо Н принимается расчетная глубина Н = 1,5 Н.

После проведения выработки вблизи ее контура напряженное состояние массива горных пород изменяется. В стенках выработки появляются зоны концентрации сжимающих напряжений, а в кровле и почве возникают растягивающие напряжения. Напряженное состояние пород вблизи контура и на контуре выработки оценивается величиной коэффициента концентрации напряжений, представляющего собой отношение напряжения в данной точке после проведения выработки к напряжению, существовавшему в не тронутом массиве. Таким образом, вблизи контура выработки, которая пройдена в массиве упругих горных пород, напряженное состояние может быть оценено величиной максимальных и минимальных нормальных напряжений: σ_max = К₁gH и σ_min = К₂ λ₁ gH. В кровле и почве действуют растягивающие напряжения σ_min, которые уменьшаются по мере удаления от контура и постепенно переходят в напряжения сжатия λ₁gH. В боках напряжения достигают σ_max, а затем постепенно убывают и становятся в глубине массива равными gH. При наличии на контуре выработки трещин характер теоретической эпюры напряжений изменяется. В этом случае точки максимальных напряжений смещаются от контура в глубь массива. Вокруг ствола действуют радиальные σ_r и нормальные σ_θ сжимающие напряжения: ; , где r — радиус ствола; R — расстояние от рассматриваемой точки до центра ствола.

Оценка устойчивости контура незакрепленной горной выработки. Контур горной выработки может быть устойчивым или не­устойчивым. Это связано с условиями: глубиной расположения выработки от поверхности и ее размерами, величиной прочности массива горных пород, наличием трещиноватости и величины действующих на контуре напряжений. Поскольку выработка обнажает массив горных пород, то под устойчивым понимают такое обнажение, которое может длительное время находиться в равновесном состоянии, не обрушаясь, и обеспечивать без­опасное ведение горных работ. Обнажение считается неустойчи­вым, если сразу же после проходки или спустя некоторое время на нем появляются новые трещины, образуются вывалы отдель­ных кусков или обрушения кровли и боков. Су­щественное влияние на эти характеристики оказывает также угол наклона трещин. Трещины обычно рассматриваются как поверхности ослабления, которые могут привести к возникновению в окрестности выработки так называемых областей предель­ного равновесия. Интенсивностьтрещиноватости может быть оценена величиной Н/b, где Н — линейный размер рассматри­ваемой области массива горных пород; b — средний размер структурного блока (куска). Коэффициент структурного ослаб­ления массива К_C может быть выражен отношением сцепления породы в массиве С_м к сцеплению в куске τ₀: .

При исследованиях процессов разрушения массива, вмещаю­щего выработки, обычно используется также значение предела длительной прочности горных пород. Уменьшение прочности породы в результате увеличения длительности воздействия нагрузки характеризуется коэффициентом длительной прочности ξ равным отношению предела прочности на сжатие к пределу длительной прочности горной породы. Значение коэффициента ξ рекомендуют также принимать: для пород с хрупким характером разрушения (граниты, кварциты, песчаники с кварцевым цементом и т. п.) ξ = 1÷0,7, а для пород, испытавших пластические деформации перед разруше­нием (песчанистые, углистые сланцы, известняки средней крепо­сти и т. п.), ξ = 0,7÷0,5. Пределы прочности массива горных пород на одноосное сжатие R_сж и растяжение R_р могут быть прибли­женно оценены выражениями: , , где σ_сж, σ_р —пределы прочности образца горной породы при одноосном сжатии и растяжении. Запасы прочности боков n_б и кровли п_к горизонтальной вы­работки могут быть определены: ; .

При R_сж ≥ σ_max и R_р ≥ σ_min контур выработки можно считать устойчивым, и, наоборот, при R_сж < σ_max и R_р < σ_min бока и кровля выработки являются неустойчивыми. Выработка не бу­дет требовать крепь, если запас устойчивости кровли и боков будет ориентировочно составлять n_к = n_б = 3÷5. Для стенок вертикального ствола оценка устойчивости про­водится по предельной глубине Н_пр, начиная с которой породы переходят в неустойчивое состояние: , где К₃ — коэффициент концентрации напряжений на контуре ствола (на протяжен­ном участке ствола при проходке с помощью буровзрывных работ равным 3, на сопряжении с околоствольным двором К₃ = 6, а на расстояниях от 0 до 20 м от сопряжения К₃ опреде­ляется из выражения: К₃ = (6 ÷ 0,15)z, где z — удаление участка ствола от сопряжения с другими вы­работками, м).

Характер проявления горного давления. Вблизи контура обнажений напряжения могут превзойти предел прочности породы, т. е. будут соблюдаться условия R_сж < σ_max и R_р < σ_min, в результате чего произойдет разрушение породы или ее пластическое течение. Часть массива горных пород, в пределах которого происходят сдвижение, деформации и разрушение пород под влиянием горной выработки, называют областью влияния выработки. В кровле и почве горизонтальной выработки всегда существует зона пониженных напряжений. Если же в выработке являются неустойчивыми и бока, то зона пониженных напряжений распространяется вокруг выра­ботки и охватывает весь контур.

Непосредственно к зоне пониженных напряжений примыкает зона повышенных напряжений, в пределах которой напряжения выше, чем в нетронутом массиве. Зону повышенных напряже­ний, постепенно переходящую в зону напряжений, существую­щую в нетронутом массиве горных пород, называют зоной опорного давления.

Если породы, залегающие в кров­ле выработки неустойчивы, то из кровли постепенно будут выпадать по трещинам куски или глыбы по­роды. Обрушение будет продолжать­ся до тех пор, пока в кровле не обра­зуется поверхность, которую можно уподобить своду. Эту поверхность обычно неправильного очертания называют сводом обрушения; за его пределами возникает свод естествен­ного равновесия пород. Теоретиче­ски доказано, что последний свод имеет параболическое очертание.

Способы управления горным давлением. Совокупность сил, действующих в массиве вокруг горных выработок, принято называть горным давлением. В более уз­ком понимании горным давлением называют давление горных пород, окружающих выработки, на горную крепь.

Горное давление проявляется в разных формах, главными из которых являются деформации боковых пород, их обруше­ние, деформации и разрушение крепей, горные удары, пучение и др. Характер проявлений горного давления зависит от многих факторов: физико-механических свойств массива горных пород, их трещиноватости, формы и размеров подземных выработок, глубины их заложения, срока службы, наличия или отсутствия крепи и др.

Для охраны горных выработок от обрушения и безопасного ведения горных работ в них намечают мероприятия по управлению горным давлением. Эти мероприятия сводятся к выбору крепи и рациональных способов крепь выработок, а также проведению специальных мер по предупреждению массовых обрушений боковых пород в очист­ные выработки, предотвращению горных ударов и внезапных выбросов угля и газа. По условиям поддержания выработки подразделяют на две основные группы. Первую составляют выработки, находящиеся вне зоны влияния очистных работ. Вторую группу составляют выработки, находящиеся в зонах опорного давления и сдвиже­ния пород выработанных пространств, создаваемых в резуль­тате выемки рудных тел или угольных пластов.

Известны следующие способы управления горным давлением для охраны выработок глубоких горизонтов:

1. использова­ние естественных горно-геологических условий;

2. снижение дей­ствующих напряжений в массиве пород, окружающих выра­ботку;

3. использование рациональных конструкций крепей;

4. упроч­нение пород;

5. применение современной рациональной технологии сооружения выработок.

Характер проявления горного давления. Механические напряжения в породах вокруг выработок возрастают с глубиной их расположения, т. е. увеличивается напря­женное состояние породного массива. В результате на глубине 300-600 м иногда наблюдаются так называемые динамические проявления горного давления. Происходящие на больших глубинах динамические проявления горного давления классифицируются разными специалистами и организациями по-разному. Применим одну из имеющихся классификаций, в которой эти выбросы подразделяются по масштабу на толчки - сотря­сения; стреляние пород - выброс отдельных кусков, так называе­мых чешуек, из стенок выработок; породные взрывы - обрушение стенок выработок; горные удары - обрушение боков месторождения.

Расчет горного давления в горизонтальных выработках

В настоящее время все известные методы расчета величины горного давления на крепь выработок разделяются на две группы:

1. методы расчета по заданной нагрузке;

2. методы расчета по заданной деформации.

В методах расчета по заданной нагрузке давление на крепь рассматривается как внешняя нагрузка, величина которой не зависит от конструкции крепи и ее податливости. Вторая же группа методов расчета характеризуется тем, что горное давле­ние рассматривается как результат взаимодействия крепи и бо­ковых пород. Величина давления на крепь определяется с уче­том величины деформации контура выработки и деформацион­ных свойств крепи.

Гипотеза проф. М. М. Протодьяконова основана на предпо­ложении, что массив горных пород не является сплошным, так как он разбит многочисленными трещинами, а поэтому и не является упругим. По гипотезе над выработкой образуется свод естественного равновесия параболической формы. Свод разгружает давление вышележащих пород и передает его на боковые породы. На крепь выработки оказывает давление лишь порода, находящаяся ниже контура свода естественного равновесия, т. е. порода в объеме свода обрушения.

Высота свода равна: b = , где a – полупролет выработки, м; f – коэффициент внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова.

Величина горного давления на единицу длины выработки определяется весом породы внутри свода (площадь которого равна S = ): Q = , где γ – плотность пород в массиве, кг/м³. Горное давление на одну крепежную раму будет равно: Q = L, где L – расстояние между рамами, м. При сроке службы выработки более одного года следует увеличивать в два раза.

Тогда: Q = L.

Величину горного давления по М. М. Протодьяконову мо­жно определять при неустойчивой кровле и устойчивых боках выработки.

Метод проф. П. М. Цимбаревича при расчете величины гор­ного давления следует применять в том случае, когда кровля и бока (или только бока) выработки неустойчивы. Профессор П. М. Цимбаревич считает, что для средних глубин при f>9 выработка является устойчивой и горное давление практически отсутствует. При 4≤f≤9 кровля выработки обычно неустой­чива, а бока и почва — устойчивы. В кровле выработки образу­ется зона обрушения, которая по форме приближается к треугольнику. Высота треугольника определяется так же, как и у проф. М. М. Протодьяконова, т. е. , а давление на одну крепежную раму: .

Если выработка имеет прямоугольную форму, кровля и бока которой неустойчивы, над выработкой образуется свод естест­венного равновесия высотой b₁ с основанием 2 . В этом случае в боках выработки происходит сползание боковых породных призм под углом θ, которые оказывают давле­ние на крепь с боков. Считается, что на раму оказывает дав­ление столб породы в пределах свода естественного равновесия высотой b₁ и нагрузка на верхняк рамы распределена равно­мерно.

При прямых боках выработки полупролет свода естествен­ного равновесия равен: , а при наличии наклона стоек рамы под углом a к горизонталь­ной плоскости (трапециевидное сечение выработки): . Высота свода естественного равновесия в обоих случаях может быть определена из выражения: . Давление на верхняк рамы (вертикальная нагрузка): .

Полное боковое давление на стойку рамы: .

В наклонной выработке, как и в горизонтальной, при не­устойчивой кровле развивается свод обрушения. Вес породы в пределах свода обрушения может быть разложен на две со­ставляющие: нормальную N и тангенциальную Т. Нормальная сила N, перпендикулярная к продольной оси выра­ботки, оказывает непосредственное давление на крепь: N = Q соs α, где α — угол наклона выработки. Тангенциальная сила, ко­торая определяется из выражения Т = Q sin α, оказывает боковое воздействие на крепь вдоль кровли выработки, стремясь опрокинуть крепь. При малых углах наклона сила Т невелика и ее в расчет не принимают. С увеличением угла наклона выра­ботки величина этой силы возрастает и при углах более 45° может достичь большого значения.

Проф. П. М. Цимбаревич предложил определять величину горного давления в наклонных выработках следующим образом. При угле наклона выработки до 45°: N = Q соs α; при угле наклона 45—80°: N = Q соs 45°; и при угле наклона более 80° величина горного давления опреде­ляется, как для вертикальных выработок.

Расчет горного давления в вертикальных выработках. Полное боковое давление на крепь на участке ствола высотой т: . Величина наибольшей нагрузки Р на крепь ствола или шурфа, пройденного в сыпучих породах, по В. Г. Березанцеву: , где .

Практическая работа №2 Горное давление. Эта работа направлена на закрепление темы. Заданием работы является привить навыки по расчету напряженного состояния нетронутого массива, нагрузки на крепь.

Литература: [7], [8], [11], [12], [17], [19].

Студенты должны знать:

1. Что такое напряженное состояние нетронутого массива?

2. Чем определяется напряженное состояние нетронутого массива?

3. Что такое область предель­ного равновесия?

4. Как определяется интенсивность трещиноватости?

5. Что такое предел длительной прочности горных пород?

6. Что такое коэффициентом длительной прочности?

7. Когда контур выработки можно считать устойчивым, а когда бока и кровля выработки являются неустойчивыми?

8. Что такое коэффициента концентрации напряжений?

9. Какие напряжения действуют в кровле и почве выработки?

10 Какие напряжения действуют вокруг шахтного ствола?

11. Что такое областью влияния выработки?

12. Что такое зона пониженных напряжений?

13. Что такое зона опорного давления?

14. Что такое сводом обрушения?

15. Что такое свод естествен­ного равновесия пород?

16. Что такое горное давление?

17. Динамические проявления горного давления?

18. Мероприятия по управлению горным давлением.

19. Гипотезу проф. М. М. Протодьяконова для расчита нагрузки на крепь.

20. Метод проф. П. М. Цимбаревича для расчита нагрузки на крепь

Студенты должны уметь:

1. Расчитывать основные напряжения нетронутого упругого и сыпучего массива.

2. Расчитывать пределы прочности массива горных пород на одноосное сжатие.

3. Расчитывать запасы прочности боков и кровли горизонтальной вы­работки.

4. Расчитывать напряженное состояние на контуре выработки.

5 Расчитывать нагрузку на крепь в горизонтальных, наклонных и вертикальных горных выработках.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: