Напряженное состояние горных пород вокруг выработок

Проведение горной выработки вносит изменение в напряженное состояние массива. Это объясняется тем, что столб породы над выработкой лишается непосредственной опоры, вес этого столба передается на смежные части массива. Вокруг выработки концентрируются сжимающие (в стенках) и растягивающие (в почве и кровле) напряжения (рис. 47).

При Я < 1 в ее стенках на контуре сжимающие вертикальные напряжения составляют кг pH (кг ~ 3…5- коэффициент концентрации сжимающих напряжений — отношение напряжений в данной точке после проведения выработки к напряжению, существующему в нетронутом массиве). В кровле и почве выработки возникают растягивающие напряжения к pH (к — коэффициент концентрации растягивающих напряжений), которые по мере удаления от контура уменьшаются до нуля, а затем переходят в сжимающие и постепенно достигают величины, соответствующей напряжению в нетронутом массиве. В углах выработок и вершинах впадин возникает наибольшая концентрация напряжений. Закругления углов резко снижают напряжение.

Вокруг выработок круглого сечения при гидростатическом распределении напряжений в нетронутом массиве имеют место только сжимающие напряжения одинаковой величины по всему периметру контура сечения.

Устойчивостью обнажений считается такое состояние обнаженного незакрепленного участка массива пород, при котором в течение необходимого по условиям производства периода времени не происходит обрушение или сползание пород, а смещение поверхности обнажений или ее части не выходит за допустимые пределы. При отсутствии крепи устойчивость обнажений предопределяется соотношением прочностных показателей породы и величины напряжений в зоне аномалий.

В горизонтальных и наклонных выработках такими обнажениями являются кровля, почва и стенки выработки, в вертикальных — стенки. Вблизи контура обнажений напряжения (а), вследствие их концентрации, могут превзойти предел прочности пород и произойдет их разрушение или пластическое течение. Часть массива горных пород, в пределах которого под влиянием проведения горной выработки происходят сдвижения, деформации и разрушение пород, вызванные перераспределением напряжений, называется областью влияния горной выработки. Для выработки прямоугольной формы она не превышает (3…5)/, сводчатой — (2,5___3)/, круглой и эллиптической — (1,5…2,5)/ (/ - наибольший линейный размер сечения выработки). Часть этой области, где напряжение в зоне (Тины меньше напряжения в массиве <�т_мас, т. е. гт_зоны < <�т_мас, будет зоной пониженных напряжений, а при <7_ЗОН1>] > <�т_мас — повышенных напряжений. Зона повышенных напряжений постепенно переходит в область напряжений, существующих в нетронутом массиве, иногда называемую зоной опорного давления.

Характер формирования области влияния горной выработки зависит от формы, размеров сечения выработки, физико-механических свойств горных пород и др.

По степени устойчивости обнажений выделяют следующие группы выработок: весьма устойчивые; устойчивые; средней устойчивости; неустойчивые; весьма неустойчивые.

Рис. 47. Изолинии главных нормальных (а) и максимальных (6) напряжений вокруг прямоугольной выработки (на изолиниях даны значения коэффициента К)

Степень устойчивости обнажений элементов выработки оценивается отношением Можно рассмотреть следующие случаи устойчивости обнажений:

1. Кровля, стенки (бока) устойчивы:

2. Кровля неустойчива, стенки и почва устойчивы:

3. Кровля и стенки неустойчивы:

где к_с — коэффициент структурного ослабления.

Коэффициент структурного ослабления характеризуется отношением прочности пород в массиве к прочности пород в «куске».

Прочность пород в «куске» — это дополнительное понятие, которое вводится для характеристики массива. Прочность пород в массиве меньше, чем в «куске», вследствие влияния поверхностей ослабления: слоистости, трещиноватости и пр.

Ниже даны ориентировочные значения к_с.

Устойчивость обнажений при отсутствии крепи определяется формой, размерами выработки (L"_p) и глубиной ее заложения.

В качестве устойчивости обнажений принимаются соотношения 2а < L"_p. В свою очередь, L_np =(1,2…1,4) к_тк_ к_1рЛ]а_тт / р, где к," — коэффициент, характеризующий мощность слоя непосредственной кровли т (при т < 0,02 к_т = 1) к_у — коэффициент, учитывающий нагрузку Р непосредственной кровли (при Р = 0 ку= 1); к_ур — коэффициент, учитывающий трещиноватость кровли (при наличии параллельных трещин к_Тр= 0,2…0,8; при расположении трещин перпендикулярно к оси выработки к_тр= 0,8…0,9; при наличии двух систем трещин к_тр = 0,2…0,8).

Устойчивость пород в обнажениях определяется прочностью, ползучестью, строением, нарушенностью массива, обводненностью пород и пролетом выработки.

Существует несколько классификаций горных пород по устойчивости.

Теоретическая оценка напряженного состояния вокруг вертикальной выработки дана проф. С. Г. Лехницким. Им решена задача о распределении напряжений вокруг круглого отверстия в упругой невесомой пластинке при нагружении ее равномерной нагрузкой (рис. 48):

Рис. 48. Схема напряжений вокруг ствола круглого сечения Главные напряжения определяются по формулам:

где а — радиус ствола (вчерне); г — расстояние рассматриваемой точки от центра ствола.

На контуре ствола при г — а, а_г — 0 а₀ = ^ pH = 2<�т .

-р

По мере удаления от контура ствола сг. —" ^ pH, а.

1-//.

Потеря устойчивости обнажений произойдет, если ов > R_CVK, где /?_сж — предел прочности пород на сжатие.