Понятие о горном давлении
В земной коре вышележащие слои пород своей массой давят на нижележащие, а последние сопротивляются этому давлению. Таким образом, в нетронутом горными работами массиве эти силы находятся в равновесии, а породы — в напряженном состоянии. Это напряженное состояние характеризуется плотностью пород и глубиной их залегания. Поэтому всякая частица горной породы испытывает давление не только сверху и снизу, но и с боков. Это вызывает появление в ней равных по величине, но противоположных по направлению внутренних сил, так называемых сил упрyгости.
До проведения горной выработки слои горных пород плотно примыкают один к другому (находятся в естественной связи), причем каждый из них выдерживает нагрузку вышележащих слоев.
При проведении горной выработки это равновесие нарушается, происходит перераспределение напряжений вокруг гopной выработки. Последние могут превзойти предел прочности пород, произойдут их разрушение и смещение. Смещения могут быть настолько велики, что сплошность пород будет нарушена, появятся расслоения, трещины, а в дальнейшем и обрушения. Такие явления, возникающие в массиве гopных пород после проведения выработки, называются деформациями пород.
Для зоны разрушения пород характерны постепенное уменьшение степени их разрушения и увеличение напряжений в направлении от контура выработки в глубь массива. Эту зону принято называть областью пониженных напряжений, или областью неупругих деформаций.
Вследствие образования области неупругих деформаций на ее границе происходит новое перераспределение напряжений. За ее пределами возникает область повышенных напряжений, или область опорного давления, которая дальше вверх постепенно переходит в область, в которой напряжения соответствуют первоначальным.
Таким образом, напряжения на контуре выработки практически равны нулю, а на границе области неупругих деформаций превышают первоначальные, свойственные нетронутом массиву.
Горные породы лучше всего сопротивляются сжатию. Поэтому, если кровле выработки придать сводчатую форму, при которой породы в основном работают на сжатие, то этим будет обеспечена большая ее устойчивость.
Постепенное обрушение пород продолжается до образования некоторой поверхности неправильного очертания, которую можно уподобить своду. Такой свод называют сводом обрушения. За его пределами образуется свод естественного равновесия пород.
Если естественное очертание свода обрушения пород перенести несколько в глубь массива и оконтурить правильной поверхностью, то получим его теоретическое очертание, которое принято считать параболическим. Свод естественной равновесия воспринимает нагрузку залегающих выше пород, вследствие чего напряжения в нем превышают величину первоначальных напряжений.
Горное давление — напряжения, возникающие в массиве, окружающем горную выработку. Вопросы изучения горного давления тесно связаны с параметрами крепи и обеспечением безопасности от завалов горных выработок.
Сложность процесса деформирования пород вокруг выработок, отсутствие достоверных сведений о компонентах напряженного состояния массива и его физико-механических характеристик ограничивают область применения аналитических решений для расчета смещений и нагрузок на крепь. Поэтому выявление всех особенностей проявлений горного давления производят при помощи инструментальных наблюдений в подземных выработках. Эти наблюдения позволяют получить достоверные сведения о величине и характере проявлений горного давления, необходимых для расчета и конструирования надежных и экономически выгодных крепей.
Наиболее полные данные о характере проявления горного давления могут быть получены путем проведения комплексных натурных исследований, которые включают в себя изучение закономерностей сдвижения массива пород, вмещающих выработку, с помощью контурных и глубинных реперов, исследования характера распределения нагрузок на крепь во времени, изучения полного комплекса физико-механических свойств горных пород, визуальные наблюдения с целью качественной оценки состояния крепи и вмещающих выработку пород.
Исследования проявлений горного давления производят по специальным методикам с использованием различных измерительных приборов и аппаратуры.
Экспериментальные исследования проявлений горного давления включают в себя инструментальные замеры величин относительных смещений кровли и почвы выработки, сближения боков выработки, расслоения пород непосредственной кровли и нагрузок на крепь. Кроме инструментальных измерений проводят фотографирование и визуальные наблюдения за состоянием пород и крепи и характером их деформации. Для этих исследований в горных выработках оборудуют специальные заметные станции.
Величину и характер давления на рамную крепь определяют с помощью механических динамометров 20Д-180, 50Д-180, МСД; на анкерную крепь — с помощью механических динамометров ДНА, ДА-1, ДША. Величину расслоения пород кровли определяют по реперам, установленным в кровле на различную глубину. Замеры величин расслоения пород кровли и смещения контура выработки производят с помощью измерительных стоек СУ-П или металлической рулетки Д-8-2. Результаты замеров заносят в специальный журнал.
Исследование взаимодействия сил внутри нетронутого массива горных пород, изменения состояния пород при нарушении естественного равновесия, а также расчет горного давления входят в круг вопросов, изучаемых механикой горных пород.
Влияние горного давления на вертикальные
и горизонтальные горные выработки.
При проведении в толще пород горных выработок вокруг них происходит перераспределение напряжений, в процессе которого породы стремятся перейти в новое состояние равновесия и претерпевают те или иные деформации. Напряжения или силы, возникающие внутри массива горных пород вследствие проведения выработки и вызывающие деформации окружающих выработку горных пород, называются горным давлением.
Характер и величина горного давления зависят от физико-механических свойств горных пород, глубины заложения выработки от поверхности, формы и размеров ее поперечного сечения, положения выработки в пространстве и других факторов.
Для сохранения заданной формы и размеров выработок в неустойчивых породах необходимо возведение крепи, которая, воспринимая горное давление, замедляет процесс прогиба и препятствует обрушению пород. Горное давление, воспринимаемое выработкой, достигает максимального значения не сразу после ее проведения. Вначале оно возрастает и называется первичным. Через некоторое время нарастание давления прекращается, оно остается по величине постоянным и называется вторичным или установившимся.
Проф. М. М. Протодьяконов экспериментальным путем установил, что над выработкой образуется свод, и теоретически доказал, что свод очерчен по параболе. На крепь оказывает давление своим весом только порода, заключенная внутри этого свода. Его М. М. Протодьяконов назвал сводом естественного равновесия.
Гипотеза предполагает два периода в проявлении горного давления на крепь горизонтальной выработки. Первый — период первичного горного давления — характеризуется изменением первоначального напряженного состояния горных пород, прилегающих к выработке, и образованием свода естественного равновесия. Величина этого давления положена в основу расчетов размеров крепи.
Рис. 1. Схема к гипотезе проф. М.М. Протодьяконова.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.