Общие сведения. Создание безопасных условий функционирования подземных сооружений – одна из главных задач обеспечения устойчивости горных выработок

Горное давление

Создание безопасных условий функционирования подземных сооружений – одна из главных задач обеспечения устойчивости горных выработок. Техногенное воздействие горного производства на геологическую среду приводит к новому ее состоянию. (Под геологической средой здесь понимается реальное физическое (геологическое) пространство в пределах земной коры, которое характеризуется определенным комплексом геологических условий – совокупностью некоторых свойств и процессов).

Возникают количественно и качественно новые силовые поля вокруг горно-геологического объекта как части геологической среды, которые проявляются на границе горная выработка – массив пород, т.е. в незначительных пределах массива пород, окружающего выработку.

Силы, возникающие в массиве, окружающем горную выработку, называются горным давлением. Горное давление вокруг выработок связано с перераспределением напряжений при их проведении. Оно проявляется в виде:

1) упругого или упруговязкого смещения пород без их разрушения;

2) вывалообразования (местного или регулярного) в слабых, трещиноватых и мелкослоистых породах;

3) разрушения и смещения пород (в частности, вывалообразования) под влиянием предельных напряжений в массиве по всему периметру сечения выработки или на отдельных его участках;

4) выдавливания пород в выработку вследствие пластического течения, в частности со стороны почвы (пучение пород).

Различают следующие виды горного давления:

1. Вертикальное – действует по вертикали на крепь, закладочный массив и является следствием давления массы вышележащих пород.

2. Боковое – является частью вертикального давления и зависит от мощности пород, лежащих над выработкой или разрабатываемым пластом, инженерно-геологических характеристик пород.

3. Динамическое – возникает при больших скоростях приложения нагрузок: взрыв, горный удар, внезапное обрушение пород кровли и т.д.

4. Первичное – давление горных пород в момент проведения выработки.

5. Установившееся – давление горных пород после проведения выработки по прошествии некоторого времени и не меняющееся длительный период ее функционирования.

6. Неустановившееся – давление, изменяющееся с течением времени вследствие ведения горных работ, ползучести пород и релаксации напряжений.

7. Статическое – давление горных пород, в котором инерционные силы отсутствуют или весьма малы.

Усложнение условий, в которых осуществляется проведение (подземное строительство) горных выработок (большие глубины разработки, многолетняя мерзлота, высокая сейсмичность, неотектонические явления, ускорение и увеличение объемов техногенного воздействия и пр.), и уровень развития науки позволили создать современные, более приближенные к реальным методы расчета горного давления.

Возникло новое научное направление – механика подземных сооружений. Это наука о принципах и методах расчета подземных сооружений на прочность, жесткость и устойчивость при статических (горное давление, давление подземных вод, изменение температуры и т.п.) и динамических (взрывные работы, землетрясения) воздействиях. Она разрабатывает методы расчета конструкций крепи.

Механика подземных сооружений возникла в результате развития механики горных пород – науки, изучающей свойства и закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород в окрестности выработки, а также закономерностей взаимодействия пород с крепью горных выработок для создания целесообразных методов управления горным давлением. Механика подземных сооружений оперирует механическими моделями взаимодействия крепи с массивом пород, учитывающими геологическое состояние окружающих выработку пород, и расчетными схемами крепи.

Анализ механических моделей и расчетных схем производится с использованием методов теории упругости, пластичности и ползучести, теории разрушения, гидродинамики, строительной механики, сопротивления материалов, теоретической механики.