Устойчивость обнажений пород в горных выработках

Под устойчивостью обнажений пород понимают их способность противостоять проявлениям горного давления не разрушаясь. В го­ризонтальных и наклонных выработках такими обнажениями яв­ляются их кровля, бока и почва, а в вертикальных — стенки.

 

 

Рис. 7. Области пониженных 1 и повышенных 2 напряжений вокруг горизон­тальной выработки в зависимости от места залегания неустойчивых пород:

а и б — в кровле; в — в кровле и боках; г — в кровле, боках и почве

Вблизи контура обнажений напряжения, вследствие их концен­трации, могут превзойти предел прочности пород, вследствие чего происходит их разрушение или пластическое течение.

Часть породного массива, в пределах которого под влиянием про­ведения горных выработок происходят сдвижение, деформации и раз­рушение пород, вызванные перераспределением напряжений, на­зывают областью влияния горной выработки.

Часть этой области, примыкающую непосредственно к контуру горной выработки, в пределах которой напряжения ниже, чем в не­тронутом массиве, называют зоной (1, рис. 7) пониженных напря­жений, а примыкающую к ней часть, в пределах которой напряжения выше, чем в нетронутом массиве, — зоной (2, рис. 7) повышенных напряжений. Последнюю, постепенно переходящую в область напря­жений, соответствующих существовавшим в нетронутом массиве, иногда называют зоной опорного давления.

Характер формирования области влияния горной выработки за­висит при прочих равных условиях (форма и размеры поперечного сечения выработки и др.) от физико-механических свойств пород (см. рис. 7).

В этом отношении можно представить четыре основных случая.

 

Тогда давление на подпорную стенку будет

D = (ɣH²/2) × ctgϴ × tg²(ϴ-φ)

Максимальное давление на подпорную стенку D_max имеет место в момент предельного равновесия. Приравняв нулю производную dD /dϴ, устанавливаем, что D_max будет при ϴ = (90+φ)/2

D = (ɣH²/2) × tg²(90-φ/2). (27)

По формуле (27) можно определить давление породы на всю подпорную стенку. Для определения давления на единицу площади стенки на любой ее высоте нужно дифференцировать выражение (27) по Н т.е.

dD/dH = P_r= ɣH tg²(90-φ)/2 (28)

Сравнивая выражения (28) с формулами (25), можно видеть, что

tg² (90-φ)/2 =A (29)

аналогичен по своей сути µ/1-µ, т.е. тоже является коэффициентом горизонтального распора, но для сыпучих пород.

По формуле (28) можно построить эпюру давления породы на стенку. Площадь этой эпюры равна максимальному давлению, на нижнее основание

Р_r = ɣHtg² (90-φ)/2.

Давление D_тaх, определяемое по формуле (27), отражает давление призмы сползания на подпорную стенку в момент предельного равно­весия и называется активным. Давление стенки па породу или ее отпор называется пассивным. Предположим, что к стенкеА'В' (рис. 5, в) приложена сила D_пaсс(пассивное давление), которая стремится сдвинуть стенку вправо и вызвать выпирание грунта.Для момента предельного равновесия реакция R со стороны плоскости выпирания В'С' отклонена вверх от нормали к этой пло­скости на угол внутреннего трения φ, так как в этом случае сила Т равна по величине и противоположна по знаку силе трения Nf₀ = N tg φ направленной книзу. 1. Породы кровли, боков и подошвы устойчивы, т. е.

k₁ (µ/1-µ) ɣH<k_cϬ_pξ и k₂ ɣH<k_cϬ_сжξ, (4) где ξ — коэффициент длительной прочности; Ϭ_р и Ϭ_сж — пределы прочности пород соответственно при растяже­нии и сжатии в условиях двухосного напряженного со­стояния.

При условиях выражения (4) опасных деформаций в обнажениях пород быть не может.

2. Породы кровли выработки неустойчивы, а боков и подошвы устойчивы т. е.

k₁ (µ/1-µ) ɣH>k_cϬ_pξ и k₂ ɣH<k_cϬ_сжξ, (5)

 

В этом случае бока и подошва выработки будут устойчивы, а в кровле породы будут разрушаться, причем тем более интенсивно, чем больше превышение k₁ (µ/1-µ) ɣH относительно Ϭ_p.

При развитии в зоне, прилегающей непосредственно к кроило выработки, трещиноватости взаимно пересекающиеся трещины вы­деляют отдельные куски, глыбы или участки породы, которые, теряя связь с массивом, выпадают.

Постепенное обрушение пород продолжается до образования не­которой поверхности неправильного очертания, которую можно уподобить своду. Его называют сводом обрушения;

Если естественное очертание свода обрушения условно перенести несколько в глубь массива и оконтурить правильной поверхностью, то получим его теоретическое очертание, которое принято считать параболическим.

Поверхность свода естественного равновесия можно принять за нижнюю границу области повышенных напряжений. В этой области породы не разрушаются, и свод естественного равновесия остается устойчивым вследствие того, что породы в ее пределах на­ходятся в объемном напряженном состоянии и обладают поэтому более высокой прочностью.

При горизонтальном залегании в кровле выработки пластичных слоистых пород появлению трещин предшествует их прогиб. Вели­чина и пролет прогиба отдельных слоев уменьшаются по мере удале­ния от кровли выработки в массив, причем эти пролеты прогибов вписываются в свод, который принимают соответствующим своду естественного равновесия.

Развитие пластического прогиба может привести к образованию трещин, а в дальнейшем к выпадению в выработку отдельных кусков и глыб, как и при хрупком разрушении пород.

Так как пластические деформации обычно протекают с упрочне­нием пород, то в случае недостаточной нагрузки прогиб и дальней­шая деформация пород кровли могут приостановиться.

Породи в кровле и в боках выработки неустойчивы, т. е.

k₁ = (µ/1-µ) ɣH>k_cϬ_pξ иk₂ ɣH>k_cϬ_сжξ. (6)

В этом случае область неупругих деформаций распространяется как на кровлю, так и на бока выработки (см. рис. 7, в).

4. Породы неустойчивые в кровле, боках и подошве выработки - область неупругих деформаций распространяется во все стороны от выработки (рис. 7, г).

Устойчивость обнаженной породы в вертикальных стволах круг­лого поперечного сечения ВНИМИ предложил оценивать, исходя из условия

K₃ ɣH ≤ k_cϬ_сжξ

где k₃ — коэффициент концентраций напряжений.

 

Проявления горного давления

Проявления горного давления связаны с образованием вокруг выработки зоны неупругих деформаций (см. § 9).

В горизонтальных выработках наиболее типичным является горное давление со стороны кровли, проявляющееся в результате прогиба пород, а затем трещинообразования. Для предупреждения или снижения развития деформаций пород устанавливается шахтная крепь. После ее установки происходит совместная работа системы порода — крепь.

Зона неупругих деформаций разливается до границы зоны повышенных напряжений (прекращения деформаций пород), вследствие чего горное давление постепенно возрастает, а достигнув некоторой величины, стабилизируется.

Боковое горное давление наблюдается при наличии в боках выработки сравнительно слабых пород и при значительном развитии опорного давления.

Горное давление со стороны подошвы выработки наблюдается при наличии в ее подошве также относительно слабых пород, главным образом глинистых. В этом случае происходит выдавливание пород в выработку, т. е. пучение пород, которое может усиливаться вследствие ослабления связности породы при ее увлажнении.

При большом давлении со стороны подошвы выработки обычно наблюдается также значительное горное давление со стороны ее боков и кровли.

Горное давление может быть направлено по отношению к кровле и бокам выработки нормально или под некоторым углом (косо). Первый случай характерен для горизонтального или пологого с небольшим углом падения залегания пород.

Косое направление горного давления наблюдается при более значительных углах падения, особенно при крутом залегании слоистых трещиноватых пород.

При проведении выработок на сравнительно небольшом расстоянии одна от другой в зоне их влияния наблюдается интенсификация проявления горного давления. Особенно резкое влияние оказывают очистные выработки вследствие зависания пород кровли на их границах и развития в этом районе опорного давления, оказывающего воздействие на подготовительные выработки.

Наблюдениями на шахтах Донбасса установлены характерные зоны (рис. 8) влияния очистных работ.

I зона охватывает штрек от его забоя до линии, отстоящей от очистного забоя на 10—25 м. В этой зоне штрек обычно находится в целиках и горное давление невелико.

II зона распространяется от границы первой на расстояние 40—100 м за линию очистного забоя и, в свою очередь, может быть разделена на три участка: от границы I зоны до очистного забоя, где наблюдается постепенный рост горного давления; па расстояние 5—20 м за линией очистного забоя, где наблюдается наибольшее горное давление, и от границы этого участка до расстояния 40 — 100 м от очистного забоя. Па этом участке наблюдается постепенное снижение горного давления до величины, несколько превышающей давление в I зоне.

Характер изменения горного давления и протяженность отдельных зон зависит от системы разработки, физико-механических свойств пород, конструкции крепи штрека и других факторов.

Влияние очистных работ может проявляться не только в выработках, проведенных по пласту, по которому ведутся очистные работы, но и в выработках, проведенных выше (подработка) или ниже его (надработка выработок).

В зоне установившегося давления с течением времени горное давление может увеличиваться вследствие реологических свойств пород или под влиянием их выветривания, вызывающих ослабление пород.

Способ проведения выработки также может влиять на величину горного давления: оно больше (по сравнению, с проходкой комбай­ном) при применении взрывных работ вследствие образования трещин, вызывающих структурное ослабление пород, и концентраций напря­жений на неровностях контура выработки, а также в зависимости от срока установки крепи.

Горное давление возрастает с глубиной.

При достаточно высоких напряжениях в породах, склонных к хрупкому разрушению, могут возникать горные удары, практически представляющие внезапный их выброс вследствие предельного напряженного состояния и быстрого высвобождения накопившейся в них энергии.

Горные удары могут происходить как в зоне влияния очистных работ, так и в условиях одиночной подготовительной выработки. Сильные горные удары вызывают серьезные разрушения подземных выработок и являются опасными для жизни людей.

Для предотвращения горных ударов требуется выполнение ряда профилактических мероприятий. С увеличением глубины разработки возникают выбросы горных пород при проведении капитальных горных выработок. Природа их недостаточно изучена, но она свя­зана, с одной стороны, с внезапными выбросами газа, а с другой — с горными ударами.

Из изложенного видно, что проявление горного давления и его
величина изменяются в пространстве и во времени и зависят, с од­ной стороны, от естественных (геологических), а с другой — от про­изводственно-технических условий.