Горное давление
(a. rock pressure; н. Gebirgsdruck; ф. pression des terrains; и. presion del terreno) — напряжения, возникающие в массиве г. п., вблизи стенок выработок, скважин, в целиках, на поверхностях контакта порода — крепь в результате действия гл. обр. гравитац. сил, а также тектонич. сил и изменения темп-ры верх. слоев земной коры.
Наиболее общей формой проявления Г. д. является деформирование г. п., к-рое приводит к потере ими устойчивости, формированию нагрузки на крепь, динамич. явлениям (Горным ударам, Внезапным выбросам). Поэтому при проведении горн. выработок предварительно рассчитывают Г. д. для определения прочности несущих элементов подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способов управления Г. д.
Первые методы расчёта Г. д. основывались на гипотезе, согласно к-рой Г. д. вызвано весом определённого объёма пород, приуроченного к данному несущему элементу. Одной из наиболее распространённых была гипотеза Турнера (Франция, 1884), на основе к-рой Г. д. в целиках при камерно-столбовой системе разработки определяется весом столба пород (от уровня залежи до поверхности), ограниченного в плане осями симметрии прилегающих к целику камер или просеков. На этой гипотезе основан метод расчёта Л. Д. Шевякова. Аналогичные гипотезы о Г. д. на крепь подготовит. выработок исходили из предположения о действии на крепь веса столба пород от выработки до поверхности с основанием, равным пролёту выработки. Однако оно приводило даже для небольших глубин к нагрузкам, к-рые не могла бы выдержать крепь. Поэтому были выдвинуты гипотезы о действии на крепь веса пород в пределах треугольного или сводчатого объёма с основанием, по-прежнему равным пролёту выработки. Наибольшую известность получила гипотеза рус. учёного M. M. Протодьяконова (1907), в к-рой указанный объём представляет собой параболич. свод. Его высота (b) связана с полупролётом выработки (а) соотношением: b=a/f, где f — тангенс угла внутр. трения для сыпучих пород или коэфф. крепости для связных. Расчёты по этой формуле для глубин до 200-300 м (при отсутствии тектонич. напряжений) дают практически приемлемые результаты. Применительно к лавам угольных пластов гипотеза о весе пород свода трансформировалась в гипотезу о сводчатой форме распределения Г. д. на крепь, параметры к-рого определяются по результатам натурных замеров и по качеств. оценкам. Наряду с упомянутыми гипотезами развивалось направление, сводившее изучение Г. д. к задаче изучения напряжённо-деформированного состояния массива, не потерявшего сплошности. Здесь широкое применение нашли методы механики деформируемых сред, в частности теории упругости, пластичности, ползучести и др. Упругое напряжённо-деформированное состояние в окрестности горизонтальной круглой подготовит. выработки теоретически изучено А. Леоном (Германия, 1908); им же совместно с Ф. Вильхаймом (Германия, 1910) поставлены опыты по разрушению стенок такой выработки на моделях из мрамора. Для вертикального ствола упругая задача решена сов. учёным А. Н. Динником в 1926, попутно им дан вывод одной из наиболее распространённых формул для определения коэфф. бокового распора. Более детальное решение для незакреплённого ствола получено сов. учёным С. Г. Лехницким (1937). Упругопластич. напряжённо-деформированное состояние в окрестности горизонтальной и вертикальной круглой выработки рассмотрел Р. Феннер (Чили, 1938). В его решении Г. д. на крепь определяется миним. значением, при к-ром окружающая выработку пластин. зона будет находиться в равновесии. Принципиальной для развития теории Г. д. явилась работа сов. учёного Г. Н. Савина (1947), в к-рой использовано условие совместности перемещений контактирующих друг с другом точек поверхности выработки и крепи. Это позволило теоретически объяснить влияние податливости крепи на величину Г. д. А. Лабас (Бельгия, 1949) предложил рассматривать поведение пород в разрушенных областях вокруг выработок как поведение сыпучей среды, характеризующейся внутр. трением и сцеплением. В 1954 сов. учёный Г. Н. Кузнецов впервые сформулировал фундаментальные понятия о двух крайних режимах работы крепи: заданной нагрузки и заданной деформации; дальнейшее развитие эти понятия получили в работах сов. учёного Г. А. Крупенникова и его школы. Г. Н. Кузнецовым сформулирована также концепция шарнирно-блочных систем, образующихся в кровле очистных выработок. Сов. учёный К. В. Руппенейт на основе предложений Г. Н. Савина и А. Лабаса построил универсальную расчётную схему, позволяющую связать Г. д. на крепь подготовит. выработки с упругими и прочностными свойствами пород. Ю. М. Либерман, модифицировав схему К. В. Руппенейта, разработал метод, позволяющий определить оптим. жёсткость крепи. В кон. 70-х гг. вновь возродился интерес к определению Г. д. на крепь как веса нек-рого объёма сыпучей породы; достижения в этой области связаны с работами сов. учёного Е. И. Шемякина и др.
Систематич. изучение тектонич. сил в массиве Г. п. начато в СССР работами М. В. Гзовского в 1954 и продолжено И. А. Турчаниновым, Г. А. Марковым, за рубежом — Н. Хастом (Швеция, 1958) и др. исследователями. Осн. методы исследования Г. д. — аналитический, моделирование (оптическое и эквивалентными материалами) и натурные наблюдения.
Г. д. в ненарушенном (нетронутом) массиве. Если рассматривать массив, в к-ром ещё нет горн. выработок, как однородный и изотропный с горизонтальной поверхностью и учитывать лишь гравитац. силы, то в нём будут действовать начальные нормальные напряжения:
σz = γH; σx = σy = ξγH,
где H — глубина от поверхности; γ — объёмный вес; ξ — коэфф. бокового распора. Начальные касат. напряжения τxy, τxz, τyz равны нулю; поэтому начальные напряжения представляют собой гл. нормальные напряжения, а оси z, х, у — гл. оси (рис. 1).
Рис. 1. Схема действия напряжений на элементарный объём в массиве горных пород.
В реальных природных средах действует большое число факторов, иногда сильно влияющих на изменение значения Г. д. (напр., направленность тектонич. сил, как правило, вызывает неравенство горизонтальных составляющих).
Г. д. в капитальных и подготовит. выработках. При проведении горизонтальных капитальных и подготовит. выработок гл. нормальные напряжения изменяются, а гл. оси тензора напряжения поворачиваются по сравнению с начальными. В плоском сечении, перпендикулярном оси выработки (вдали от забоя), напряжённое состояние каждой точки можно охарактеризовать гл. нормальными напряжениями σ1 и σ2 и линиями, указывающими направление гл. осей в каждой точке, т.н. траекториями гл. напряжений (рис. 2, а).
Рис. 2. Схемы распределения горного давления в капитальных и подготовительных выработках: а — траектории главных напряжений; б — распределение тангенциальных напряжений в отсутствии зоны неупругих деформаций; в — распределение тангенциальных напряжений при образовании зоны неупругих деформаций; 1 — контур сечения выработки; 2 — элемент породы с действующими на него напряжениями s1 и s2; 3 — распределение s1; 4 — зона неупругих деформаций; 5 — траектории s1; 6 — уровень начальных напряжений; 7 — траектории s2.
Напряжения σ2 вблизи выработки уменьшаются по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве, а напряжения σ1 могут значительно возрастать или менять знак, вызывая опасное растяжение. Гл. нормальные напряжения, направленные параллельно (или почти параллельно) оси выработки, вдали от забоя практически не изменяются. Концентрация напряжений σ1, как правило, неодинакова в разных точках поверхности выработки, сильно возрастая в углах и закруглениях малого радиуса кривизны. Если концентрация напряжений не слишком велика, то напряжения σ1 имеют общую тенденцию к убыванию при удалении от выработки (рис. 2, б), a σ2 к возрастанию. При больших концентрациях напряжения превосходят соответствующие пределы прочности пород, и вблизи поверхности выработки эти породы начинают пластически деформироваться или хрупко разрушаться (зона неупругих деформаций). В этой зоне напряжения σ1 падают по сравнению с теми значениями, к-рые наблюдались до её образования, и меняется характер их распределения (рис. 2, в). Максимум напряжений σ1 приурочен к внеш. границе зоны неупругих деформаций, на к-рой они могут претерпевать разрыв. Смещения точек поверхности выработки увеличиваются с удалением от забоя (рис. 3), однако на расстоянии 4-5 пролётов выработки наступает их стабилизация.
Рис. 3. Схема формирования горного давления на крепь в разрезе вдоль оси выработки: 1 — контур сечения выработки; 2 — величина смещения; 3 — положение крепи в момент установки; 4 — положение крепи при отходе забоя; 5 — граница зоны неупругих деформаций.
Дальнейший рост смещений во времени обусловлен реологич. свойствами г. п. При прочих равных условиях смещения увеличиваются с ростом глубины разработки и уменьшением показателей прочности и модуля деформации пород.
Роль крепи в выработке сводится к предотвращению чрезмерного развития зоны неупругих деформаций и обрушения пород. При достаточно большой жёсткости крепи она работает в режиме заданной (или взаимовлияющей) деформации и Г. д. возникает вследствие того, что крепь воспринимает прирост смещений с момента её установки, к-рый зависит от давления (р). Поэтому последнее можно определить из условия совместности смещений:
Ut(p) = U0 + Utk (p),
где Ut (p) — смещение поверхности выработки в момент времени t; U0 — смещение поверхности выработки до наступления контакта между крепью и этой поверхностью; Utk (p) — смещение контура крепи в момент времени t. Решение этого уравнения (относительно р) находят по графику (рис. 4).
Рис. 4. Графическое определение горного давления на крепь: 1 — зависимость Ut (r); 2, 3, 4 — зависимости U0+U Vt (p) для крепей малой оптимальной и большой жёсткости; 5 — зависимость горного давления в режиме заданной нагрузки от смещения контура; Pmin, P1, Р2 — горное давление на крепи оптимальной, большой и малой жёсткости.
При малой жёсткости крепи её смещения велики, и поэтому породы зоны неупругих деформаций отслаиваются от окружающих пород, нагружая крепь собств. весом (режим заданной нагрузки). В режиме заданной или взаимовлияющей деформации давление будет тем меньше, чем меньше жёсткость крепи. Этой возможностью снижения нагрузки пользуются на практике, создавая в крепи разл. узлы и элементы податливости. Однако, чем меньше реакция крепи, тем больше размеры зоны неупругих деформаций, породы к-рой воздействуют на крепь своим весом. Таким образом, снижение жёсткости крепи имеет естеств. предел — оптим. жёсткость, обеспечивающую миним. давление в данных горн.-геол. условиях. При невозможности (или затруднительности) регулировки жёсткости постоянной крепи (напр., монолитной бетонной или металлобетонной) давление на неё снижают, возводя крепь на достаточном расстоянии от забоя и (или) спустя достаточное время после обнажения. В период от момента образования обнажения до возведения постоянной крепи соответствующие участки выработки поддерживаются временной крепью. Для выработок, не испытывающих влияния очистных работ, типичное значение смещения контура выработки составляет 20-40 см, а давление на крепь — 100-200 кПа. Однако в зависимости от типа крепи, глубины разработки, свойств пород и др. факторов эти величины могут изменяться в неск. раз.
Влияние очистных работ приводит к увеличению смещений контура выработки. Если выработка непосредственно примыкает к лаве (напр., откаточный и вентиляц. штреки), то смещения достигают половины вынимаемой мощности пласта. С целью уменьшения этого влияния применяют разл. способы охраны горн. выработок. Общий характер изменения напряжений при сооружении вертикальных выработок (стволов) такой же, как при проведении горизонтальной выработки. Взаимодействие мощной и жёсткой крепи ствола с массивом имеет характер взаимовлияющей деформации.
Г. д. в очистных выработках. При очистной выемке длинными забоями (лавами) характер Г. д. и его проявлений существенно иной, чем в подготовит. выработках и стволах (рис. 5).
Рис. 5. Схема проявлений горного давления в лаве: 1 — угольный пласт; 2 — опорное давление; 3 — основная кровля; 4 — обрушение породы; 5 — посадочная крепь; 6 — призабойная крепь; 7 — зона отжима; 8 — непосредственная кровля.
Это связано с обнажением пород на больших площадях и наличием постоянного перемещения забоя, играющего существ. роль в формировании проявлений Г. д. Угольный пласт впереди забоя является опорой для кровли, поэтому в нём возникают повышенные нормальные напряжения (опорное давление), вызывающие частичное разрушение и выдавливание призабойной части пласта (отжим угля). В кровле очистной выработки осн. видом смещений пород является послойный изгиб с образованием зазоров и щелей между отд. слоями (расслоение и отслоение). При определ. величине подвигания забоя возможно разрушение слоев г. п. и обрушение их в выработку. Чтобы не допустить массового обрушения в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют разл. способы управления Г. д. (напр., полное обрушение и закладку выработанного пространства). При полном обрушении индивидуальная крепь выбивается за задней границей призабойного пространства, вследствие чего ниж. слой кровли (т.н. непосредств. кровля) обрушается по границе, к-рая обычно усиливается спец. посадочной крепью. Оставшаяся над призабойным пространством непосредств. кровля может быть надёжно поддержана призабойной крепью. Процесс обрушения в выработанном пространстве по мере подвигания забоя распространяется в висячий бок, захватывая вначале идущую вслед за непосредственной осн. кровлю, а затем и вышележащие слои. По мере удаления от пласта беспорядочное обрушение сменяется упорядоченным обрушением и плавным опусканием слоев, уменьшающимся с увеличением степени разрыхления и мощности обрушающейся непосредств. кровли. При работе с механизир. крепью непосредств. кровля обрушается вслед за передвижением крепи. Осн. кровля нек-рых пластов представляет собой мощные слои прочной породы (напр., песчаника). Такая кровля обрушается только при очень значит. подвигании забоя, что вызывает усиленное давление на крепь. Эффективное управление Г. д. при подобных труднообрушающихся кровлях возможно путём предварит. ослабления их впереди линии забоя взрыванием мощных скважинных зарядов (торпед), гидроразрыхлением и т.п. Перспективно также применение механизир. крепей высокого сопротивления. При слабых породах почвы, в к-рые вдавливается крепь, используют спец. расширенные опоры. Для управления Г. д. на крутопадающих пластах применяется закладка выработанного пространства, к-рая препятствует прогибу слоев кровли, ликвидируя чрезмерные изгибающие моменты и возможность обрушения.
Г. д. на крепь очистной выработки вычисляется с учётом условий её работы в режиме заданной нагрузки или заданной (взаимовлияющей) деформации аналогично Г. д. на крепи капитальных и подготовит. выработок. При этом слои кровли рассматриваются как балки, плиты или шарнирно-блочные системы. Размеры зоны расслоения, в пределах к-рой образуется система взаимодействующих балок (плит), определяются методами механики деформируемой среды. Балки (плиты) считаются загруженными собств. весом, а также пригрузкой со стороны вышележащих слоев. Величина пригрузки определяется из эмпирич. соотношений, полученных на основе лабораторных экспериментов, или аналитич. вывода, базирующегося на условии совместности смещений. Шарнирно-блочная система образуется в результате упорядоченного разрушения балок (плит) и состоит из блоков пород кровли, к-рые взаимодействуют между собой в отд. точках и на целых поверхностях. Сами блоки практически не деформируются, но поворачиваются друг относительно друга, взаимно проскальзывают с трением на поверхностях. Поведение таких шарнирно-блочных систем и их взаимодействие с крепью рассчитываются методами строит. механики. Расчёт давления беспорядочно обрушенных пород и закладочных материалов на крепи осуществляется также методами механики сыпучей среды. Для анализа схем работы кровли и гл. обр. для практич. выбора способов управления Г. д. широко используются различные классификации структур кровель.
Г. д. в целиках. Напряжённое состояние достаточно высоких (по сравнению с характерным размером основания) междукамерных столбчатых и ленточных целиков является соответственно приближённо одноосным или двухосным. Расчёты и экспериментальные исследования показывают, что междукамерные целики, находящиеся вблизи массивных панельных или барьерных целиков, а также вблизи границ залежи, в известной степени разгружены от Г. д. В широких целиках распределение напряжений по сечению существенно неравномерно и зависит от механич. свойств г. п. целика почвы и кровли. В целиках, сложенных крепкими, хрупкими породами и залегающими в таких же породах, значит. концентрации напряжений наблюдаются вблизи стенок. При существенно пластичных породах (уголь, нек-рые руды) у стенок целика происходит спад напряжений. В ср. части широкого целика может образоваться "ядро", находящееся в объёмном напряжённом состоянии, что повышает несущую способность целика. Для учёта этого повышения применяют эмпирич. коэффициенты, а также используют закономерности, полученные на основе использования теории предельного равновесия.
Литература: Методы расчета целиков и потолочин камер рудных месторождений, М., 1964; Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок, М., 1966; Либерман Ю. М., Давление на крепь капитальных выработок, M., 1969; Фотиевa H. H., Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения, М., 1974; Баклашов И. В., Картозия Б. A., Механика горных пород, M., 1975; Ревуженко А. Ф., Стажевский С. Б., Шемякин Е. И., Новые методы расчета нагрузок на крепи, "физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых", 1976, No 3; Черняк И. Л., Предотвращение пучения почвы горных выработок, М., 1978; Булычев Н. С., Механика подземных сооружений, M., 1982; Jacobi О., Praxis der Gebigsbeherrschung, 2 Aufl., Essen, 1981.
Ю. M. Либерман.