Стан гірського масиву навколо підземних виробок, пружно-пластичний розподіл напруг, напруження навколо зближених виробок

– найбільша головна нормальна напруга;

– проміжне (середнє) нормальна головна напруга;

– найменше (мінімальне) нормальна головна напруга.

У теорії гірського тиску прийняте правило, по якому головна напруга у вертикальному напрямку позначається G ₃. Найбільше (по модулі) головна горизонтальна напруга, при дії тектонічних сил, позначається G ₁. Іншу головну горизонтальну напругу, де діють (середні) небагато менші сили, позначаються G ₂. Напрямку дії головних нормальних напруг називаються головними осями напруг.

Головна найменша напруга (у вертикальному напрямку) G ₃ завжди визначається вагою порід вищезалягаючої товщі

– об'ємна вага i-того шару порід;

– потужність i-того шару;

Н - глибина розглянутої крапки в масиві від денної поверхні.

Коли напружений стан масиву порід визначається т. дією гравітаційних сил, те кожен елементарний обсяг масиву під дією вертикальної гравітаційної напруги буде випробовувати деформації стиску у вертикальному (по осі ОZ) і деформації розтягання в горизонтальному напрямках (по осях ОX й OY).

Однак деформації розтягання перешкоджає реакція навколишніх порід, у результаті чого виникають горизонтальні стискаючі напруги й , чисельно рівні

де – коефіцієнт поперечних деформацій гірських порід (змінюється в межах від 0 до 0,5). Для більшості порід Мінімальні значення у вапняних сланцях, опалі, філлитіх, гнейсах; максимальні – у дунітах, амфіболітах;

– коефіцієнт бічного розпору, він коливається від 0,1 до 1,його ще називають коефіцієнтом бічного тиску. Він показує, яку частину вертикального навантаження, що діє в розглянутій крапці масиву, становлять сили або напруги, що діють у горизонтальній площині.

При шаруватій будові масиву значення гірських напруг і визначаються конкретними значеннями коефіцієнта поперечних деформацій для відповідного шару. У зв'язку із цим, якщо вертикальна напруга зі збільшенням глибини буде монотонно зростати, то гірські напруги й при загальній тенденції зростання можуть, як збільшуватися, так і зменшуватися при переході від шару до шару. Головна напруга , обумовлена дією гравітаційних сил, може відхилятися убік від вертикалі внаслідок похилого залягання окремих шарів порід, їхньої складчастості й різної потужності, однак не більше ніж на 10⁰–15⁰.

Змінення гравітаційного складового загального поля напруг по глибині характеризується градієнтом гравітаційних напруг . Вони є функцією середньої щільності порід, що складають масив, і становлять 0,25-0,32 кгс/(см²м). Граничні значення й виражають умови гідростатичного розподілу напруг у масиві, тобто такої напруги, коли .

Такий напружений стан є часткою случаємо й характерно для глин, слабких глинистих і піщаних сланців, кам'яної солі, слабких вугіль, здатних до вязкопластичному плину при порівняно невисоких навантаженнях.

Поля тектонічних напруг набагато менш однорідні, чим поля гравітаційних напруг. Їхні параметри можуть значно змінюватися як у просторі, так і в часі. Зміна може стосуватися й орієнтування осей головних напруг й їхніх абсолютних значень.

Зміна тектонічних напруг характеризується вертикальним градієнтом тектонічних сил , що виражають залежність найбільшого (максимального) головного горизонтального стискаючої напруги від глибини.

При круглій формі перерізу виробок напруги визначаються:

– для вертикальних виробок (стволів):

;

.

- для горизонтальних виробок:

де – головні напруги в недоторканому масиві гірських порід;

– радіус перерізу виробок;

– поточні полярні координати;

– полярна відстань до точки масиву, – полярний кут.

Для горизонтальної виробки при гідростатичному напруженому стані (у стінках виробки):

При розподілі напруги по А. Н. Диннику, (у стінках і покрівлі виробки):

У виробках еліптичної форми:

У виробках прямокутної форми:

У виробках склепінної форми поперечного переріза:

Розглядаючи вищенаведені графіки можна простежити, як змінюються напруги в масиві порід залежно від форми перерізу виробок.

Напруга в будь-якій точці масиву порід навколо кругового перерізу визначаються співвідношенням напруги в недоторканому масиві й координатами даної точки.

Причому для вертикальних стовбурів або якщо напружений стан недоторканого масиву гідростатичне , з координат визначальної є лише полярна відстань даної точки від центра виробки . У будь-якій точці контуру всі напруги є стискаючими.

Якщо ж , то напруга в покрівлі й боках виробок істотно різні. На частину контуру при з боку дії більшого з напруг з'являється область напруг зворотного знака (ростягуючих), що тим більш, чим більше різниця між й . Стискаючі напруги на противагу цьому мають більші значення з боку дії менших навантажень. При максимальний коефіцієнт концентрації напруги спостерігається в боках виробок.

Загалом, для кругової форми перерізу виробок розміри зони їхнього впливу істотно залежать від ступеня рівномірності початкового поля напруг. При найбільш сприятливому випадку для кругової форми перерізу вони становлять ≈1,5 діаметрів.

У порівнянні із круговою формою перерізу виробок еліптичні перерізи характеризуються трохи більшими швидкостями загасання напруг у міру видалення убік масиву, тобто меншою областю впливу. Для найбільш сприятливих випадків розміри області впливу еліптичного перерізу становлять близько 1,2 більші діаметри. Максимальна стійкість виробки досягає при дотриманні рівності при розташуванні більшої осі перерізу по лінії дії найбільшого з напруг у недоторканому масиві.

Найбільша концентрація напруг на контурі гірських виробок. Якщо породи поблизу контуру виробок мають підвищене деформування, цей максимум може бути зміщений у глиб масиву. У міру видалення в глиб масиву концентрація напруг швидко зменшується.

Напружений стан навколо гірських виробок змінюється під впливом сусідніх виробок.

Розрахункова схема стрічкових ціликів (а) і розподіл напруг у широких (б) ціликах, ціликах при (в) і вузьких (г).

У широкім ціликі, де , взаємний вплив суміжних виробок при визначенні напруг не перевищує 10%. При цьому концентрація напруг на стінці цілини відповідає концентрації напруг на стінці одиночна виробка. В середині цілика між виробками напруги близькі до початкових напруг масиву. Нормальні напруги зростають від нуля на стінці цілини до початкових напруг у його середній частині.

У цілику шириною , де взаємний вплив виробок стає помітним, концентрація напруг на стінці цілини й у його глибині зростає в порівнянні з концентрацією напруг в околиці одиночної виробки. При цьому напруги в цілині зменшуються.

У вузькій цілині, що має ширину , взаємне вплив виробок значно збільшує концентрацію напруг . Середній рівень напруг при зростає відповідно до вираження в 3 рази в порівнянні з початковими напругами в масиві. Нормальні напруги стають малими й у породному масиві цілини формується практично однорідне поле високих стискаючих напруг таке поле напруг виникає, наприклад, у вузьких міжходових ціликах при комбайновому відпрацьовуванні калійних солей і супроводжується значними поперечними деформаціями розтягання цілика, що приводить до їхнього руйнування.

Намагаються сполучати під прямим кутом. Тоді область взаємного впливу охоплює меншу зону масиву гірських порід.

При проведенні збійок між паралельними виробками, або при Т-образному перерезі виробок попередньо роблять невеликі зарубки в стінках вироблень, що з'єднують, і вже, потім роблять збійку із цих зарубок. У цьому випадку область взаємного впливу також зменшується, оскільки напруга поперед вибою виробок зменшується пропорційно кубу відстані від контуру виробки, тоді як з боку стінок - пропорційно квадрату цієї відстані.

У тих випадках, коли підготовча виробка попадає в область впливу очисної виробки камерного типу, відстань, на якому почне позначатися вплив останньої буде меншим, чим відповідна відстань у розглянутих вище прикладах. Це розумівається істотно меншими (≈ в 2 рази) розмірами області впливу ізометричної виробки в порівнянні із циліндричною.

Дата добавления: 2014-10-22