Производственные процессы добычи руды, страница 19

В условиях массива пород, исходное напряженное состояние которого определяется силами гравитации, максимальной деформацией является вертикальное сжатие выработки (сближение кровли и почвы выработки). После перераспределения начальных исходных напряжений в кровле и в почве выработки возникают области пониженных напряжений, а в бортах – зоны повышенных их концентраций (опорное давление) (рис. 6.1 а). В случае, если действующие напряжения достигнут или превысят предел прочности массива на сжатие или растяжение, происходит разрушение пород выработки в бортах, а также в ее угловых частях кровли и почвы (рис. 6.1 б).

Зона влияния опорного давления зависит от конфигурации и поперечного сечения выработок, их количества, взаимного расположения (рис. 6.2). Ее размеры определяются следующими условиями: по мере приближения к выработке напряжения возрастают от исходных γН до максимума у краев обнажения.

а

б

Рис. 6.1. Опорное давление.

а – эпюры распределения напряжений; σ₁ – максимальные главные напряжения, σ₂ – тоже минимальные, τ_max – максимальные касательные напряжения, L – зона влияния выработки (зона опорного давления), γН и λγН параметры исходного поля напряжений; б – области разрушения пород окружающих выработку.

а

б

Рис. 6.2. Распределение опорного давления.

а – при обособленных выработках; б – сближенных выработках: у₁ – опорное давление от выработки № 1; у₂ – тоже от № 2; у₁+у₂ – общее опорное давление.

Основным показателем, характеризующим величину опорного давления, является коэффициент концентрации напряжений:

,

(6.7)

где – главные максимальные напряжения.

В условиях, когда исходное природное поле напряжений характеризуется тектоническими силами, максимальной деформацией является сближение боковых стенок выработки. Высокая концентрация напряжений при этом образуется в кровле и почве выработки, а зоны разгрузки – в бортах. Вследствие этого разрушение пород будет наблюдаться в кровле и почве выработки. Характерный вид выработки после разрушения кровли высокими тектоническими напряжениями показан на рис. 6.3. После обрушения раздавленных пород контур выработки приобретает вид шатра. Породы почвы могут подниматься с разрывом их сплошности. В практике довольно часто разрушение пород в кровле выработок при наличии в массиве высоких тектонических напряжений происходит в динамической форме.

Рис. 6.3. Характер разрушений пород при действии тектонических напряжений.

В варианте, когда исходное напряженное состояние массива является гидростатическим, т.е. равнокомпонентным, деформации контура выработки во всех направлениях становятся примерно одинаковыми, а зона концентрации напряжений охватывает весь периметр выработки. Теоретически доказано, что после перераспределения природных напряжений максимальное давление, действующее на контуре выработки, равно 2gН. В подобных условиях, разрушение выработки на больших глубинах происходит равномерно по всему контуру.

6.2.3. Факторы, влияющие на характер и величину

проявления горного давления

Различают следующие факторы.

1.  Особенности начального поля напряжений нетронутого массива – параметры исходного поля напряжений (гравитационные, тектонические напряжения).

2.  Физико-механические свойства пород – упругие, пластические, прочностные и реологические свойства. Для всех типов пород характерно свое определенное поведение под давлением. При длительном воздействии давления на горные породы, напряжения и деформации со временем могут изменять свои абсолютные значения, проявляя реологические свойства – ползучесть и релаксацию. Ползучесть – свойство горных пород, характеризующее изменением во времени деформаций при постоянно действующих напряжениях (σ = const; t ≠ const; ε ≠ const). Релаксация – процесс изменения со временем напряжений в массиве при неизменной деформации (σ ≠ const;  t ≠ const; ε = const). Механизм деформирования сводится к тому, что ведение горных работ в недрах приводит к нарушению естественного равновесия внешних нагрузок и внутренних сил сопротивления пород. Образуемые пустоты вызывают сначала упругое, а затем и неупругое деформирование пород вплоть до разрушения.