Напряженное состояние нетронутого массива горных пород

 

 

Общие сведения

 

Основной задачей механики горных пород является изучение явлений, происходящих в породах, окружающих горную выработку. Решить задачу о напряжениях и деформациях в массиве, нарушенном горной выработкой, возможно только, если известны напряжения, которые были в массиве до ее проведения.

Поэтому изучение напряжений в нетронутом (ненарушенном) массиве является одной из важнейших задач механики горных пород.

Напряженное состояние массива определяется тензором напряжения, состоящим, как известно, из шести компонентов:

нормальных – , и

и касательных – , , .

В механике горных пород положительное направление оси ординат z удобнее принимать сверху вниз и начало координат совмещать с поверхностью.

Нетронутым, или ненарушенным, массивом горных пород называются участки земной коры, незатронутые горными работами, т. е. такие, в которых не имеется горных выработок (или разработок); находящиеся же на соседних участках выработки удалены настолько, что они не оказывают влияния на напряженное состояние пород рассматриваемого участка. Другими словами, это массив пород, напряженное состояние которого определяется только естественными природными условиями.

Изучение напряженного состояния ненарушенного массива является крайне сложной задачей по ряду причин и, в первую очередь, в силу того, что для непосредственных замеров напряжений в натуре требуется проведение горной выработки, хотя бы буровой скважины, что уже в той или иной степени ведет к нарушению состояния массива.

Решение этой задачи моделированием или теоретическими методами также является крайне сложным в связи с большим числом имеющих разнообразный характер естественных факторов, создающих напряженное состояние массива пород.

Рассмотрим основные факторы и условия, с которыми связано формирование напряженного состояния массива горных пород.

Глубина залегания изучаемого массива горных пород от поверхности является главным фактором, от которого зависит во всех участках земной коры напряженное состояние, причем компонента за счет гравитационных сил по мере увеличения глубины пропорционально возрастает.

Вторым фактором, определяющим напряженное состояние в некото-рых участках земной коры, являются силы, связанные с тектонической деятельностью.

Этот фактор может иметь региональное значение в так называемых горно-складчатых массивах.

Действительно, в некоторых областях складок наблюдаются нарушения породы, показывающие, что они подвергались действию усилий, связанных со сложным характером напряженного состояния массива.

На напряженное состояние массива пород в виде местных явлений могут оказывать также влияние неоднородность строения массива пород, анизотропность, а также жесткость соседних пород.

Неоднородность строения массива и его анизотропность, несомненно, могли вызвать при формировании массива местные усложнения напряженного состояния пород в связи с тем, что неоднородное поле сопротивления должно вызвать неоднородное же распределение напряжений.

Степень жесткости соседних пород также могла влиять на распределение напряжений как местное явление в районах контактов более прочных и менее прочных пород.

Важным и очень сложным фактором, несомненно, влияющим на современное напряженное состояние пород массива, является время. Причем этот фактор не регионального, а общего повсеместного характера.

Земная кора находится в непрерывном движении, поэтому, если посмотреть на массив пород во времени, имеющем значения порядка геологических эпох, то, очевидно, напряженное состояние такого массива следует считать переменным.

Вместе с этим есть области с интенсивной современной тектонической деятельностью, в которых напряженное состояние массива пород может изменяться в очень короткие отрезки времени, буквально на глазах людей.

Горные работы и подземные сооружения хотя и могут в отдельных случаях иметь довольно продолжительный срок существования (например, известны подземные сооружения, сохранившиеся до наших дней и срок существования которых составляет 4-5 тыс. лет), однако сравнительно с геологическими эпохами даже эти сроки являются крайне малыми отрезками времени. Деятельность человека на протяжении жизни имеет еще более короткие сроки.

Поэтому в механике горных пород принято считать, что напряженное состояние массива пород является постоянным, имея статический характер.

Что же касается напряженного состояния в областях, опасных по сейсмическим явлениям, то это является специальным вопросом, который пока не может рассматриваться в общей механике горных пород. Если даже общие положения механики горных пород еще довольно слабо разработаны, то такой специальный вопрос, как напряженное состояние пород в областях, опасных по сейсмическим явлениям, вообще не исследован, хотя и является весьма важным.

Однако вопрос о влиянии фактора времени на напряженное состояние массива пород имеет еще и другое значение.

Экспериментально установлено, что все породы в той или иной степени обладают свойством ползучести.

Породы, находясь долгий период времени под напряжением, компоненты которого по величине были разные, в зависимости от характеристики ползучести, присущей им в период формирования данного участка массива, должны были проявить свойство релаксации. Поэтому время должно было сравнять или хотя бы приблизить по величине компоненты напряжения.

Эксперименты и опыты в области изучения свойств ползучести пород, как будет указано ниже, подтверждают эти соображения, показывая, что такое выравнивание напряжений в действительности происходит.

Наконец, как местные явления могут оказывать влияние на напряженное состояние массива пород и такие факторы, как давление газов и вод, находящихся в порах и пустотах пород.

Изложенные общие соображения о факторах и условиях, влияющих на формирование напряжений, позволяют прийти к некоторым общим положениям, которые в настоящее время принято считать исходными при оценке напряженного состояния ненарушенного массива горных пород.

Основным фактором во всех случаях является глубина и гравитационные силы.

Влияние тектонических сил следовало бы учитывать для массивов горно-складчатого типа. Имеются отдельные исследования напряженного состояния горных пород на участках, где было заметно проявление тектонических сил. Наблюдения показывают, что в таких участках характер напряженного состояния массива горных пород значительно отличается от обычного, наиболее распространенного характера. Например, горизонтальная составляющая напряжения может в несколько раз превышать вертикальную. Однако методы учета влияния этого фактора, разрабатываемые в настоящее время, пока еще не получили практического распространения.

Время как фактор, влияющий на проявление свойства ползучести пород, необходимо учитывать во всех случаях.

Что же касается местных явлений и связанных с ними распределений напряжений в породах, то, очевидно, что их учитывать нецелесообразно. Здесь еще также следует иметь в виду, что в связи с ползучестью пород эти местные явления могли быть и локализованы.

Так как обычно рассматриваются относительно небольшие участки земной коры и в течение коротких промежутков времени, то общее состояние принимается статическим.

В результате пока напряженное состояние нетронутого массива (не имеющего явно выраженный горно-складчатый характер) принимается как статическое, равновесное, объемное под влиянием собственного веса.