Напряженное состояние в массиве вокруг очистной горной выработки

Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными.

Основные задачи управления горным давлением в очистных выработках, также как в капитальных и подготовительных, заключаются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или призабойного пространства) в течение необходимого времени их эксплуатации и в выборе наиболее экономичного, но вместе с тем полностью обеспечивающего безопасность работающих людей, способа крепления и поддержания выработанного пространства.

По сравнению с подготовительными и капитальными выработками очистные выработки обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются:

* значительно большие размеры поперечных сечений и их изометричность;

* непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также большую интенсивность воздействия технологических процессов (взрывных работ);

* существенно меньшее время эксплуатации.

Эти особенности очистных выработок определяют, в свою очередь, и специфические проявления горного давления в них.

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших перемещений и деформаций горных пород и полезного ископаемого до их разрушения и обрушения, от незначительных нагрузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, структуры и механических свойств массива горных пород, мощности и угла падения полезного ископаемого. Большое влияние на проявления горного давления оказывают производственно-технические условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давлением, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д.

В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых, правда весьма немногочисленных, случаях, указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитности массива, в частности, при разработке некоторых рудных месторождений системами с открытым очистным пространством, например, камерными и камерно-столбовыми системами.

Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вследствие этого - неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных выработках развиваются процессы обрушения покрывающих пород.

Область массива пород вокруг выработок, в которой проявляются пластические, вязкие деформации и разрушение, составляет так называемую зону неупругих деформаций. Параметры зоны неупругих деформаций характеризуют состояние выработки, они являются исходными для выбора и расчета крепи, а поэтому их определение — обычно конечная цель теоретических и экспериментальных исследований.

По мере извлечения полезного ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.

С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема деформирования пород вокруг очистной выработки при крутом падении пласта.

1 — зона опорного давления; 2 — пласт угля; 3 — зона разгрузки; 4 — эпюры напряжений; 5 — граница области влияния выработки.

Первая (зона разгрузки) характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.

Результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки.