Формирование горного давления

Управление горным давлением

Горный массив можно рассматривать как полупространство, ограни­ченное горизонтальной плоскостью (земная поверхность), пребывающее под действием собственного веса в упругом напряженном состоянии. То­гда вертикальное напряжение определится весом столба породы объемом, где - высота столба породы, соответствующая глуби­не заложения рассматриваемой площадки массива. Учитывая, что, где - объемный вес вышележащих пород, получим

(9.1)

Горизонтальные напряжения для однородного массива

(9.2)

Коэффициент горизонтального распора для упругих скальных по­род в соответствии с законом Гука определяется коэффициентом Пуассона.

В реальных условиях такое линейное распределение напряжений с глубиной нарушается неоднородностью строения массива, тектонически­ми напряжениями, давлением воды и газов. Сглаживающим фактором яв­ляется релаксация напряжений, нивелирующая их уровень в различных частях массива.

После проведения горной выработки на ее контуре концентрируются напряжения (рис.9.1). Распределение этих напряжений в некоторой облас­ти вокруг выработки называется горным давлением. Обычно вертикальные напряжения превышают горизонтальные, тогда в кровле и почве выработ­ки концентрируются растягивающие напряжения, которые по мере удаления от контура выработки уменьшаются и переходят в сжимающие, достигая величины. На стенках выработки концентрируются сжи­мающие напряжения. Коэффициент концентрации напряжений К определяется многими факторами: шириной и формой сечения выработок, их взаимным расположением, характером неровности контура выработки и др. Все множество этих факторов нельзя учесть в единой модели реального массива, и потому коэффициент концентрации напряжений определя­ется опытным путем.

Рис. 9.1. Напряжения на контуре горкой выработки

В общем случае выработка будет устойчивой, если действующие на­пряжения на ее контуре не превышают прочности массива. Для горизон­тальных напряжений это условие запишется в виде

(9.3)

где - коэффициент структурного ослабления,

-. прочность пород на растяжение и сжатие. Для вертикальных напряжений

(9.4)

Если условия устойчивости не выполняются, то горная порода внутри некоторой области вокруг выработки разрушается и частично или полно­стью теряет свою несущую способность. При этом напряжения на контуре выработки уменьшаются (в случае полного разрушения пород - до нуля) и образуется зона пониженных напряжений (1) - зона неупругих деформаций (рис.9.2). Следует отметить, что напряжения на контуре выработки со вре­менем уменьшаются и при отсутствии разрушения за счет упругого де­формирования массива в сторону выработанного пространства и явлений ползучести. После образования зоны неупругих деформаций пик напряже­ний перемещается вглубь массива, образуя зону опорного давления (2) -зону повышенных напряжений. С увеличением расстояния от выработки напряжения уменьшаются и становятся равными напряжениям нетронуто­го массива (3).

Рис.9.2. Распределение напряжений вокруг горной выработки

Разрушение пород вокруг горной выработки происходит с образова­нием свода естественного равновесия. Вес разрушенных пород в этом сво­де формирует нагрузку на крепь выработки. Размер свода естественного равновесия определяется следующими факторами: прочностными и де­формационными свойствами пород, условиями залегания и структурой массива, глубиной залегания, размерами и формой выработки, типом кре­пи.