Развитие теории крепления горных выработок

Виды занятий и формы контроля

Литература

Белл Д. Грядущее постиндустриальное общество, М.: Academia, 1999.
Демидова Л. С. Сфера услуг в постиндустриальной экономике // Мировая экономика и международные отношения, 1999, № 2.
Котилко В. В., Морозова Л. С., Орлова Д. В. и др. Сфера услуг и проблемы занятости населения, М.: Изд-во Московского государственного университета сервиса, 2001.
Курганский С. А. «Структурные сдвиги в экономике» // В сб. Сфера услуг и проблемы подготовки специалистов: материалы городской научно-практической конференции (27 апреля 1999 г.), Иркутск: Изд-во ИГЭА, 1999.
Плешивцев А. В. Диалектика развития сферы услуг в процессе ее перехода к рыночной экономике. Диссертация на соискание уч. степ. д.э.н., М.: 1992.
Рутгайзер В. М., Корягина Т.И., Арбузова Т.И. и др. Сфера услуг. Новая концепция развития, М.: Экономика, 1990.
Скорниченко Н. Н. Организация маркетинговых исследований в сфере услуг (на примере города Тольятти). Автореферат на соискание ученой степени к.э.н., М.: 1999.
Хаширов О. А. Предпринимательство в сфере услуг. СПб: Изд-во СПб университета экономики и финансов, 1993.
Материалы Семинара по Генеральному Соглашению по торговле услугами, М.: ВНИКИ, 22-26 мая 1994.
Riddle, D.I., Service-Led Growth, Praeger, New York, 1986.
Trade and Development Report, 1991, N.Y., V.N.,1991.

Занятия	Семестры

Лекции, час./нед.
Практические занятия, час./нед.

Горные породы в нетронутом массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. Рассмотрим напряжения, испытываемые элементарной частицей, расположенной на глубине Н от поверхности (рис 1.).

Любая частиц в земной коре испытывает напряжения:

по вертикальной оси s_z=gН, по горизонтальной оси s_X=s_y=lgH,

где Н-глубина от земной поверхности, м;

g- объемный вес горных пород, кН/м³;

l-коэффициент бокового распора.

Коэффициент бокового распора равен l=m(1-m), где m-коэффициент Пуассона (для горных пород равен 0,1-0,4, в среднем 0,2-0,25).

Рис.1. Схема напряженного состояния твердых пород

Под действием этих напряжений любая частица породы находится в состоянии напряженного равновесия. Это объясняется тем, что внутри нетронутого массива земной коры под влиянием внешних сил породы не могут перемещаться и изменять свою форму. При ведении горных работ равновесие нарушается, породы вокруг выработки деформируются. В массиве вокруг горной выработки происходит перераспределение напряжений. Горные пород при этом сдвигаются в сторону образовавшейся выработки. Такие явления в массиве горных пород после проведения выработки называются деформациями.

Если не принимать мер против развития этих деформаций, то с течением времени в выработке начинается обрушение горных пород. Чтобы этого не произошло, в горных выработках необходимо возводить крепь. Только в крепких породах выработки более или менее продолжительное время могут сохранять устойчивость без крепи. Крепь

препятствует перемещению пород внутрь выработки, а следовательно, воспринимает давление горных пород.

Горное давление – удельное значение внешних механических сил в массиве горных пород, приходящихся на единицу площади и вызываемых собственной силой тяжести, действием тектонических сил, подземных вод и газов, термодинамическими процессами.

Понятие горного давления является аналогичным понятию напряжение с той лишь разницей, что напряжение определяет удельное значение внутренней реакции горных пород на воздействие внешних сил. В случае если массив горных пород находится в состоянии равновесия, абсолютные значения напряжений и горного давления численно равны между собой.

Гипотезами горного давления называют научно-обоснованные предположения о его проявлении в массиве пород, главным образом, в зонах тех или иных горных выработок.

Еще к началу Х1Х в. относятся первые попытки установить закономерности давления горных пород. Однако речь шла не о решении проблем горного давления в собственном смысле этого слова, а об установлении законов распространения процессов обрушения (размер толщи горных пород над выработками, достаточной для предохранения поверхностных сооружений от обрушения, направление обрушения относительно угла залегания разрабатываемых угольных пластов и т.п.). В 1885 г. попытку обобщить наблюдения над явлениями горного давления предпринял французский ученый Файоль, но пришел к выводу, что горное давление зависит от столь разнообразных факторов, что невозможно создать общую теорию и тем более дать количественную интерпретацию явлений горного давления

Существует несколько гипотез горного давления, определяющих состояние массивов горных пород в различных условиях.

Гипотеза гидростатического сжатия выдвинута в 1878 г. швейцарским ученым А.Геймом на основе результатов наблюдения за проходкой трансальпийских туннелей. Согласно этой гипотезе, все 3 составляющие главных напряжений, действующих на элемент массива в этих условиях, равно между собой и не превышают сил тяжести столба налегающих пород

s_х=s_g=s_z£-rgH= -gH

где r -плотность налегающих горных пород, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

g - удельный вес пород, Н/м³;

Н – мощность налегающих горных пород, м

Например, при средней плотности пород 2700-2780 кг/м³ каждые 100 м увеличения глубины разработки приводят к возрастанию величин напряжений на величину не более 2,7-2,78 МПа. Такое напряженное состояние характерно для жидкостей. Считается, что массив горных пород на больших глубинах (1000 м и более) находится в аналогичном напряженном состоянии. Однако выполненные в последние годы натурные замеры напряжений на глубинах 1200-1500 м показали значения, значительно меньшие расчетных от силы тяжести столба налегающих пород. Это объясняется тем, что в результате действия сил горизонтального распора в налегающем массиве часть вертикальной нагрузки гасится и не доходит до больших глубин.

Гипотеза преимущественного действия в массиве пород гравитационных сил выдвинута А.Н. Динником и независимо от него К. Терцаги. Гипотеза предполагает, что на каждый элементарный объем массива горных пород действуют вертикальные напряжения, равные весу налегающих пород, а величина горизонтальных напряжений определяется отсутствием возможности деформирования элемента массива в горизонтальной плоскости:

s_х=s_y=К_рs_z= К_рrgH

где К_р – коэффициент бокового распора.

Величина коэффициента бокового распора зависит от деформационных характеристик пород, а в случае сыпучей среды – от ее прочностных свойств. Действие данной гипотезы справедливо в массивах осадочных и некоренных пород.

Гипотеза действия в массиве наряду с гравитационными сжимающих или растягивающих тектонических сил преимущественно субгоризонтальной ориентации получила широкое распространение в последние годы и основана на результатах измерений напряженного состояния массива на широком круге месторождений.

Природа возникновения тектонических сил в массиве пород различна. Действие тектонических сил обусловлено:

-дрейфом материков в пределах земной коры;

-явлением увеличения объема горных пород при сдвиге;

-космогенными силами, связанными с притяжением и отталкиванием космических тел;

-центробежными силами вращения Земли;

-остаточным проявлением тектонических сил, действовавших много веков назад и сохранившихся в горных породах в результате их свойства «памяти»;

-термодинамическими процессами в недрах земной коры, осложненными сложным структурным строением массива пород.

Ввиду многофактрности условий проявления тектонических сил и изменчивости их во времени и пространстве величину совокупного действия практически невозможно рассчитать аналитически. Оценка параметров природного поля тектонических напряжений в конкретных условиях проводится на основе натурных замеров в массиве пород.

Согласно рассматриваемой гипотезе составляющая вертикальных напряжений в массиве пород в большинстве случаев определяется силой тяжести столба налегающих пород. Горизонтальные составляющие главных напряжений определяются совокупным действием сил тектонической природы и бокового распора гравитационных сил.

s_z = -rgH; s_х =К_р s_z +Т₁+ΔТ₁; s_y = К_рs_z + Т₂+ ΔТ₂, (3)

где – Т₁, Т₂ –главные статические составляющие тектонических сил;

ΔТ₁, ΔТ₂ – изменяющиеся во времени и пространстве вектора тектонических сил.

Действие данной гипотезы справедливо для массивов коренных пород на большей части участков земной коры.

Гипотеза образования над выработкой устойчивого «свода», ограничивающего область деформирующихся при сооружении выработки горных пород, является одной из наиболее ранних гипотез горного давления. Она была высказана впервые более 100 лет назад для объяснения многочисленных наблюдавшихся на практике случаев вывалообразования и обрушения пород.

Оригинальные варианты гипотезы были высказаны проф. К. Терцаги, проф. П.М. Цимбаревичем и др.

Предполагалось, что породы над выработкой образуют нечто вроде несущей конструкции (арки или свода), которая воспринимает вес окружающих пород. В дальнейшем это предположение (гипотеза свода давления, разгружающего свода) не подтвердилось. Исследования напряженного состояния пород показали, что в действительности над выработкой как правило не происходит замыкания области концентрации нормальных тангенциальных сжимающих напряжений. Физической природе сводообразования более соответствует другое предположение, что вес пород в пределах некоторой локальной области (ограниченной поверхностью свода) превосходит их сопротивление отрыву, вследствие чего породы отделяются от массива и стремятся обрушиться в выработку (гипотеза свода обрушения).

Теория М.М. Протодьяконова. Наиболее логично и убедительно гипотеза свода обрушения изложена в работах М.М. Протодьяконова (теория М.М. Протодьяконова), который обобщил предшествующие исследования в этой области и дал экспериментальное обоснование предлагаемой расчетной зависимости.

М.М. Протодьяконов, приступая к изучению проблем горного давления, поставил перед собой задачу получить не только качественную картину явлений, происходящих в породах при проведении горных выработок, но и количественно их оценить на базе теории, позволяющей предложить расчетные формулы, удобные для пользования и точные настолько, насколько это требует практика. Свою оригинальную теорию давления горных пород М.М. Протодьяконов изложил в труде «Давление горных пород и рудничное крепление», опубликованном в 1903 г. В решении проблем горного давления трудами М.М. Протодьяконова впервые в истории горного дела был осуществлен переход от грубо приближенных качественных эмпирических оценок к количественным инженерным расчетам, открывшим широкие перспективы для развития горного дела.

М.М. Протодьяконов следующим образом описывает процессы, происходящие в массиве вокруг выработки:

Прилегающие к выработке породы начинают разбиваться на части, которые стремятся упасть в выработку. Если предоставить разрушению развиваться дальше, то постепенно, по мере обрушения отделившихся кусков, очертания выработки изменяются: в потолке образуется как бы свод, а бока, если они достаточно слабы, скашиваются и могут принять несколько расширенную кверху форму. Такова фигура естественного равновесия.

За пределами свода порода остается «нетронутой».

Образование свода было воспроизведено М.М. Протодьяконовым на модели – в ящике с мокрым песком. За расчетную величину давления на крепь предлагалось принимать собственный вес пород в пределах свода равновесия.

В соответствии с принятой концепцией давление на крепь зависит, в первую очередь, от свойств (крепости, удельного веса) пород и пролета выработки. Что касается глубины, то, как писал М.М. Протодьяконов:

Давление на крепь обуславливается породой, а не глубиной... если порода над крепью не разбита трещинами на отдельные куски, то крепь излишня.

М.М. Протодьяконов на основании собственных экспериментов на моделях, обобщения имевшегося опыта крепления выработок и упрощенного математического вывода, который здесь не приводится, получил следующую расчетную формулу для давления пород, приходящегося на 1 м длины выработки:

где b – полупролет выработки.

Среднее давление со стороны кровли, приходящееся на 1 м², получим, поделив это выражение на пролет выработки 2b:

Из гипотезы свода следуют рекомендации по возведению крепи: крепить выработку необходимо возможно «туже», плотнее, без зазоров между крепью и породой и возможно скорее после обнажения пород, чтобы предупредить формирование свода обрушения.

При всей категоричности высказываемых положений («всякое разрушение ограничивается сводом и упасть в выработку могут только части внутри его»), М.М. Протодьяконов делает ряд оговорок относительно области применения выдвигаемой теории. Он пишет, что обнаруженное им отсутствие зависимости давления на крепь от глубины не может быть принято безоговорочно и касается только рудников «не очень глубоких». При большой глубине явления давления горных пород происходит совсем иначе, чем при глубине сравнительно небольшой; характерным является не образование в кровле разгружающего свода, а выдавливание боков в выработку. И в то время, как при небольшой глубине важен вес частей породы внутри свода, - при больших глубинах приходится иметь дело со всем давящим столбом породы.

М.М. Протодьяконов обращает также внимание на то, что давление на крепь развивается во времени (что, кстати, не следует непосредственно из его концепции). В процессе воздействия пород на крепь он выделяет «первичное давление» (достигающее наибольшей величины, иногда весьма значительной, усиленно ломая поставленную крепь) и установившееся давление (меньшее по величине, чем первичное). М.М. Протодьяконов отмечает, что для восприятия первичного давления ставят податливую крепь («вопреки старинному правилу крепить туже»). Тогда первичное давление только деформирует крепь, а потом устанавливается равновесие.

Подводя итог изложенному выше, можно отнести гипотезу свода к упрощенному случаю использования механической модели жесткопластической среды. Действительно, предполагается, что все процессы деформирования пород происходят в локальной области, за пределами которой массив никакого участия в нагружении крепи не принимает и может рассматриваться как абсолютно жесткий.

В заключение отметим, что в опытах с сухим песком М.М. Протодьяконов не получил свода (как и следовало ожидать). Вместе с тем, измеренные им нагрузки хорошо согласуются с расчетными по формуле, которая в свое время, которая в свое время отражала накопленный практический опыт, что и определило популярность теории М.М. Протодьяконова и ее важную роль в формировании представлений о взаимодействии крепи с массивом пород. Сам автор, полемизируя с А.Н. Динником, дал следующую оценку своей работе:

...не придавая своей теории непреложенности отгаданного закона природы, я смотрю на нее как на рабочую гипотезу, оправдываемую фактами, которая дает несколько фактических правил расчета крепления, всячески проверенных, почему тот, кто надлежащим образом будет ими пользоваться, не рискует получить абсурда.

Согласно гипотезы М.М. Протодъяконова в массиве выделяются две области: область предельного состояния пород (пластическая область, формирующая сползающий объем) и область за пределами сползающего объема (жесткая область), не участвующая в нагружении крепи. Гипотеза М.М. Протодъяконова построена на основе рассмотрения условий образования над выработкой свода давления (естественного равновесия), воспринимающего нагрузки вышележащих слоев породы. При этом полагают, что крепь нагружается весом породы, находящейся между верхним контуром сечения выработки и сводом естественного равновесия (рис. 2), вследствие чего величина горного давления не зависит от глубины залегания горной выработки.

Рис. 2. Схема к определению размеров свода обрушения

В горизонтальных выработках при неустойчивых стенках выработки вертикальная нагрузка на крепь определяется по формуле

q_В=gh₁,

где q_В – нагрузка на крепь выработки, кН/м²;

g - удельный вес породы, кН/м³;

h₁- высота свода обрушения, м,

h=L/2f,

где f=- коэффициент крепости породы по шкале М.М. Протодьякова;

L- максимальный пролет свода обрушения, м:

где B и h – ширина и высота выработки вчерне, м;

- условный «кажущийся» угол внутреннего трения, определяемый с учетом сцепления между частицами породы:

где r-действительный угол внутреннего трения, град (табл.); s-нормальное напряжение на контакте между частицами породы, кН/м²; с -коэффициент сцепления.

Таблица

Характеристика горных пород

Порода	Удельный вес, кН/м³	Угол внутреннего трения r, град
Песчаники: крупнозернистые средней крупности мелкозернистые пылевидные Алевролиты Аргиллиты	26-27 26,5-27 26,5-27 25,5 25,5	38-43 35-40 32-38 30-36 28-30 29-31

Высоту свода обрушения в нарушенных переменных породах можно определить по формулам:

· для выработок, расположенных в целиках достаточных размеров на значительной глубине Н,

h=0,8L/2f;