Прицнипы геомеханики

Прицнипы геомеханики

1. Поляризационно-оптический, или просто оптический метод моделирования позволяет устанавливать распределение и значения напряжений в массивах пород и элементах сооружений любой конфигурации, когда деформации модели происходят без разрыва сплошности.

Оптический метод основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (целлулоид, бакелит, фенолит и др.), называемых оптически-чувствительными, при приложении механических нагрузок приобретать оптическую анизотропию и проявлять способность двойного лучепреломления. Последнее заключается в том, что луч света, проходя через прозрачную кристаллическую среду, разлагается на две взаимно-перпендикулярные плоскополяризованные составляющие, которые распространяются внутри среды с различной скоростью.

Впервые этот метод был применен Ф. Левинсоном-Лессингом и А.Зайцевым при исследовании влияния формы сечения тоннелей на характер распределения напряжений. Опыты показали, что наибольшее сжимающее напряжение (при одноосном начальном напряженном состоянии) возникает по боковым сторонам отверстия и что оно достигает, примерно, тройного значения по отношению к сжимающему напряжению в ненарушенном массиве; наименьшие напряжения возникают при овальном и подковообразном сечениях, вытянутых в направлении действующих сил.

Применение оптического метода в геомеханике базируется на теореме Леви-Митчела о независимости характера распределения напряжений в плоских моделях от упругих постоянных моделей при равенстве нулю равнодействующей всех приложенных внешних сил (главного вектора) и равнодействующей всех моментов (главного момента), что позволяет при моделировании обеспечивать только геометрическое подобие модели и натуры

Для задач геомеханики весьма удобно применение органических стекол и эпоксидных смол. В пластинках из указанных материалов в принятом масштабе вырезают контуры изучаемых выработок, вокруг которых исследуется распределение напряжений при различных схемах нагружения пластинок по контуру растягивающими или сжимающими силами. Направления главных напряжений определяют при просвечивании плоской модели в поляроскопе.

При решении задач, которые не могут быть сведены к плоским, применяют объемные модели. Для нахождения напряжений в какой-либо внутренней области объемной модели выделяют эту область так, чтобы по пути прохождения светового луча напряженное состояние практически не менялось. Основные способы решения объемных задач: а) способ, основанный на использовании свойств оптически-чувствительных материалов моделей фиксировать ("замораживать") оптический эффект; б) способ рассеянного света; в) способ оптически-чувствительных вклеек.

Наибольшее распространение получил первый способ - "замораживание" с последующей распиловкой объемной модели на тонкие срезы толщиной 1-3 мм. Он основан на открытом Г. Оппелем в 1936 г. эффекте сохранения картины полос некоторыми оптически-чувствительными материалами, обусловленном особенностями их двухфазной молекулярной структуры. Сначала модель нагружают при повышенной температуре, затем, не убирая нагрузки, постепенно охлаждают до комнатной. При снятии нагрузки деформации, полученные при повышенной температуре, остаются, соответствующее им двойное лучепреломление также сохраняется. Температуры "замора-живания" различных оптически-чувствительных материалов колеблются в пределах 80-150 °С.

В последние годы метод фотоупругости все шире применяют и для решения динамических задач. При этом возникающие в моделях интерференционные картины дают возможность безынерционно исследовать распространение волн напряжений на всех стадиях динамического процесса. Для регистрации интерференционных картин применяют высокоскоростные камеры, в качестве источников света используют газоразрядные импульсные лампы. Моделирование динамических нагрузок осуществляют с помощью копров различных конструкций, а также взрывов специальных зарядов. Для разделения напряжений одновременно с регистрацией картин полос производят запись деформаций в модели с помощью тензометрических или геометрических (муар, голография, сетки) методов.

Другое направление связано с использованием метода при изучении деформирования пород в условиях проявления неупругих деформаций, в частности деформаций пластичности и ползучести. В этом случае речь идет об эффекте фотопластичности и фотоползучести применяемых оптически-чувствительных материалов. При моделировании динамических процессов, а также напряженного состояния объектов с учетом деформаций пластичности и ползучести, в отличие от статических задач, необходимо добиваться соответствия реологических свойств натуры и материала модели.

Таким образом, оптическое моделирование дает возможность получить наглядное представление о поле напряжений в массиве пород вокруг выработок любой конфигурации. Поэтому даже получение качественной картины распределения напряжений иногда позволяет сделать важные заключения и выводы, выделить наиболее и наименее напряженные участки породного массива.

2. Разработка месторождений в крепких вмещающих породах показывает, что до глубины порядка 1000 м прочность той или иной породы изменяется очень мало.

Прочность горных пород зависит от их состава, происхождения (магматические, осадочные, метаморфические), давления, температуры и обводненности. При углублении породы заметно упрочняются, причем слабые более интенсивно, чем крепкие. Жесткость пород и их упругие характеристики (модуль Юнга и коэффициент Пуассона) увеличиваются. С глубиной возрастает ползучесть пород, предел текучести снижается [9]. Затраты энергии на упругое деформирование пород увеличиваются, меняется характер их разрушения. Крепость, твердость и устойчивость горных пород также повышаются. Усиливающееся же обрушение пород над подземными выработками вызывается не снижением их устойчивости, а увеличением напряжений в массиве и горного давления.

Многие исследователи считают, что на глубинах более 1000 м вертикальные и горизонтальные напряжения выравниваются и достигают таких величин, что породы начинают приобретать пластические свойства. Доказательством этому служат сближение и разрушение стенок скважин и боков горных выработок, пройденных даже в довольно крепких породах [1].

По данным исследований на угольных шахтах Донбасса при увеличении глубины с 450 до 1450 м пористость пород уменьшается в два-три раза, а их прочность возрастает на 20 - 80%. Степень влияния глубины залегания на прочностные свойства пород уменьшается от зоны менее метаморфизованных углей к более метаморфизованным.

Пористость песчаника на Прокопьевско - Киселевском месторождении (Кузбасс) с увеличением глубины от 300 до 1200 м снижается в 2 раза, а предел прочности на сжатие возрастает примерно на 50% на каждые 1000 м углубления.

В Беловском районе при увеличении глубины залегания пород их влажность, пористость и водопоглощение уменьшаются, а удельная и объемная плотности, прочность, упругие свойства и склонность пород к хрупкому разрушению возрастают. В интервале глубин от поверхности до 600 м (глубина выполненных исследований) наблюдаются три зоны изменения физических свойств горных пород: интенсивного уплотнения и упрочнения, замедленного уплотнения и упрочнения пород и практически неизменных свойств пород. Первая зона распространяется до глубины 60 - 100 м и включает в основном слабые, высокопористые породы, вторая - от 60-100 до 250 м, третья от 250 до 600 м. В третьей зоне практически не отмечается роста плотности, прочности и других механических свойств горных пород с увеличением глубины их залегания.

Исследования авторов [10] показали, что влияние глубины залегания песчаников на их пористость в Партизанском каменноугольном бассейне наиболее заметно сказывается в пределах 150 - 300 м от поверхности. Так, на Белореченском участке прочность среднезернистого песчаника с глубины I7 м составляет 64 МПа. Тот же песчаник на глубине 295 м имеет прочность 112 МПа, т. е. на 75% выше. По той же причине крупнозернистый песчаник с глубины 45 м имеет прочность 52 МПа, а с глубиной 278 м - 128 МПа, т. е. в 2,5 раза прочнее. Начиная с глубины 150-300 м, возрастание прочности песчаников происходит менее заметно.

По Артемовскому месторождению Угловского буроугольного бассейна установлены следующие зависимости между прочностью на сжатие и глубиной залегания для:

песчаника мелкозернистого

песчаника тонкозернистого

алевролита

аргиллита серого

Д. М. Бронников, Н. Ф. Замесов и Г. И. Богданов отмечают, что для магматических и метаморфических горных пород, с которыми связаны большинство рудных полей и месторождений, изменение физико-механических свойств с глубиной проявляется менее интенсивно, чем для осадочных толщ. Тем не менее общая закономерность прослеживается: при увеличении глубины залегания породы становятся более плотными, а их прочностные свойства повышаются [9].

Так, на месторождениях Норильского района, сложенного комплексом вулканогенных и вулканогенно - осадочных пород, прочность пород в интервале глубины от 200 до 1500 м увеличивается. При этом зависимость предела прочности образца на одноосное сжатие (МПа) от глубины залегания (м) для габбро-диабазов, пикритовых габбро-диабазов и сплошных сульфидных руд аппроксимируется уравнениями соответственно:  и

Большое значение для выявления закономерностей изменения свойств горных пород с глубиной имеют экспериментальные исследования механических свойств образцов на установках всестороннего сжатия при высоких давлениях. С помощью таких установок, развивающих давление, соответствующее глубине около 4 км, выявлено значительное увеличение прочности пород в зависимости от минералогического состава и конфигурации порового пространства.

Как показывают опыты П.В. Бриджмена и Д.Т. Григгса, при давлениях на глубине 20 - 30 км существование разломов невозможно, так как пустоты мгновенно затягиваются. Об этом свидетельствуют эксперименты с хрупкими известняками, которые при сжатии становятся ковкими, как железо.

Предел прочности на сжатие у мелкозернистого известняка, составляющий при атмосферном давление 255 МПа и создаваемом давлении 980 МПа, возможном на глубинах около 30 - 40 км, достигает 1280 МПа [11].

О пористости и сопротивлении пород разрушению можно судить по их плотности, поскольку между этими параметрами существует корреляционная связь. На глубине около 3 км плотность, вероятно, достигает 5,7 г/см³, а в ядре Земли 9,4 - 17,2 г/см³. При этом давление внутри Земли на глубине 3000 - 6000 км, по данным Дж. Джекобса, составит примерно (1,45 - 3,65)·10⁵ МПа [9].

Все прочностные показатели горных пород в условиях больших глубин повышаются вследствие их уплотнения. По мнению ряда зарубежных специалистов (Белл, Пирсон и др.), пределом сохранения пористости пород следует считать глубину 6,3 км.

Однако, как показало сверхглубокое бурение в кристаллических породах, закономерное увеличение плотности подтверждается не всегда. При бурении Кольской сверхглубокой скважины обнаружено, что резкое повышение давления отмечается на глубине до 3 км, а затем на отметке 8 км оно заметно падает. Отмечается уменьшение плотности с увеличением гранитизации пород и возрастание ее с повышением содержания рудных минералов. На глубинах 4-8 км наблюдается разуплотнение пород, вызванное увеличением трещиноватости. Это присуще как метаморфическим, так и осадочным породам. На всей длине скважины по зонам тектонических нарушений наблюдались выделения газов (гелия, водорода, азота, метана) и притоки сильно минерализованных вод, насыщенных бромом, йодом, тяжелыми металлами. Это показывает, что на больших глубинах имеются благоприятные условия для образования полезных ископаемых. На глубине 9,5 км в Кольской скважине выявлены признаки минерализации (обнаружены сульфиды, магнетит, мусковит, флогопит).

Дальнейшее накопление фактических данных об изменении физико - механических свойств горных пород, слагающих месторождения, послужит основой для научного прогноза условий разработки при проектировании и освоении отдельных месторождений.

поляризационный осадочный горный интрузия

3. Вопросы, связанные с нарушенностыо и внедрением в осадочные породы интрузий, встают особенно остро в связи с переходом на глубокие горизонты, где ведение горных работ осложняется опасными динамическими явлениями.

Наличие в осадочной толще интрузий магматических пород оказывает значительное влияние на характер проявления и интенсивность горного давления в подземных выработках. В некоторых случаях интрузии являются основными причинами формирования очагов горных ударов.

Интрузии широко распространены на угольных месторождениях Приморья, о-ва Сахалин, частично Южного Кузбасса и Восточного Донбасса, а также в Тунгусском бассейне. В породной толще шахтных полей Партизанского бассейна интрузии представлены дацитами, андезитами, кварцевыми порфирами, липаритами, фельзит - порфирами и переходными разностями В осадочной толще эти породы в большинстве случаев залегают в виде согласных слабосекущих (или секущих) пласто- или линзообразных тел. Мощность их различна и достигает местами 300 м. От пластовых тел и массивов нередко отходят апофизы и жилы; имеются участки, на которых угольные пласты замещены на всю мощность жилой, иногда последняя расположена в пласте в виде прослойка или овального, тела. Разнообразны также и соотношения между пластовыми интрузиями и угольными пластами: магматические породы залегают как на контакте с пластами, являясь непосредственной кровлей или почвой, так и на различном удалении от них.

Породы интрузий весьма прочные и упругие. Прочность образцов этих пород на одноосное сжатие достигает 360 МПа; в среднем она составляет 180 - 250 МПа. Прочность пород на растяжение достигает - 20 МПа и в среднем равна 9 - 13 МПа. Коэффициент вариации прочности интрузий на сжатие и растяжение изменяется от 3 до 35%, при средних значениях - 15- 20%. Модуль упругости пород колеблется от 6 · 10⁴ до 8 · 10⁴ МПа, коэффициент Пуассона - от 0,2 до 0,35. На ряде участков интрузивные породы имеют интенсивную трещиноватость и показатели их механических свойств в этом случае значительно ниже указанных величин.

Коэффициент удароопасности магматических пород, определяемый как отношение упругой деформации к полной при сжимающих нагрузках, составляющих не менее 80% от разрушающих, достигает 1. До предела прочности эти породы деформируются практически без остаточных деформаций. Высокие значения имеет и показатель степени хрупкости пород, оцениваемый как отношение предела прочности на одноосное сжатие к пределу прочности на растяжение. Это отношение, как правило, больше 20. Высокая прочность, мощность и монолитность пород интрузий предопределяют их поведение в очистных выработках. Практически такие породы не обрушаются в выработанном пространстве, зависают на весьма больших площадях и создают на соответствующих участках массива пород зоны исключительно высокого горного давления. Из всех испытанных пород наибольшую прочность имеют липариты.

При внедрение магмы в угленосную толщу в приконтактных зонах в результате теплового воздействия произошли существенные изменения механических свойств и напряженного состояния осадочных пород и угля. Прочность образцов ококсованного угля на одноосное сжатие в контактных зонах увеличивается до 20,4 ÷ 56,8 МПа; модуль упругости достигает значений 5 · 10³ - 8,5 · 10³ МПа; коэффициент Пуассона равен 0,3 ÷ 0,33; выход летучих веществ уменьшается в несколько раз; коэффициент сцепления достигает 6,6 МПа; угол внутреннего трения - 47⁰. Таким образом, под тепловым воздействием интрузии увеличиваются прочность, хрупкость и удароопасность угольного массива.

В приконтактных зонах прослеживается двукратное увеличение прочности и хрупкости осадочных пород в результате их обжига в период внедрения магмы. В этих же зонах при проходке горных выработок наблюдается образование очагов повышенной напряженности массива, что проявляется в форме интенсивного стреляния пород.

Магматические породы, внедрившиеся в угленосную толщу после складкообразования и не подвергшиеся дизъюнктивной тектонике, влияют на удароопасность угольных пластов в большей степени, чем внедрившиеся до складкообразования и подвергшиеся разрывной тектонике.

На возникновение удароопасных условий существенное влияние оказывают количество интрузивных тел, их форма, мощность, петрографический состав, температура магмы при внедрении и удаление этих тел от угольного пласта. Чем большее количество пластовых интрузивов внедрилось в осадочную толщу, тем большее влияние они оказывают на степень удароопасности участков угольных пластов и на перераспределение поля напряжений в массиве. Чем ближе к пласту расположена интрузия, тем выше его удароопасность.

Наиболее опасными условия создаются интрузивными телами на контакте с угольными пластами. В зонах влияния секущих интрузивных тел прочность угля увеличивается в 5 - 10 раз и возрастают показатели упругих и хрупких свойств. В таких приконтактных зонах вероятность возникновения динамических явлений выше.

При решении практических задач ширину зоны влияния интрузии на осадочные породы и угольные пласты принимают равной половине мощности интрузивного тела. Необходимо отметить, что в районах многих интрузий прослеживается зона тектонического разрыва, в пределах которой угольные пласты и породы деформируются преимущественно пластично.

Как правило, прочность ококсованноготугля возрастает. Прочный естественный кокс, обладая высокими упругими и хрупкими свойствами, в зонах опорного давления склонен к разрушению в виде стреляний и горных ударов. В ряде случаев у интрузий ококсованный уголь разрушен, имеет зеркала скольжения, неусточив и склонен к высыпаниям в выработки.

Выделить три типичные группы пластов, учитывая изменения механических свойств под влиянием пластовых интрузий.

К первой относятся угольные пласты, превращенные в природный кокс на всю мощность. Такие пласты являются очень прочными, они склонны к упругому деформированию и хрупкому разрушению.

Вторую группу составляют угольные пласты, только частично превращенные в природный кокс. Как правило, они состоят из двух пачек: природного кокса и угля с небольшим содержанием летучих веществ.

Третью группу составляют пласты, не превращенные в природный кокс, но с уменьшением содержанием летучих (от 3 до 10%). В пластах этой группы встречаются лишь небольшие частицы ококсованного угля.

Исследования, проведенные в наиболее характерном по нарушенности и внедрению интрузий Партизанском бассейне, показали [3], что прочность ненарушенных пород кровли пласта Южный на одноосное сжатие цилиндрических образцов составляет порядка 130 - 140 МПа. Прочность тех же пород кровли пласта с приближением к плоскости сместителя дизъюнктива резко снижается до 30 МПа. Установлено, что с увеличением амплитуды разрывного нарушения отмечается большая степень снижения прочности боковых пород (в 2- 3 раза) и увеличение ширины зоны ослабленных тектоническими деформациями пород, прилегающих к поверхностям сместителей.

Механические свойства угля одних и тех же пластов на нарушенных месторождениях (типа Партизанского) резко различаются не только в отдельных блоках между нарушениями, но и в пределах одного и того же блока и этажа. Прочность краевой части пластов на сжатие колеблется в утих условиях от 0,6 - 0,9 МПа до 50 МПа.

Угольный массив с прочностью краевой части угля менее 1 - 2 МПа является неустойчивым, а на крутых пластах он склонен к обрушениям и высыпаниям в выработки.

Пласты, опасные по горным ударам, вне зоны влияния нарушений отличаются повышенной прочностью, упругостью и склоностью угля к хрупкому разрушению. Так, например, пласт Южный мощностью 0,7 м представлен однородным прочным углем. По данным натурных испытаний, прочность кромки массива угля этого пласта на сжатие в среднем составляет 11 - 15 МПа, достигая на ряде участков 30 МПа. Уголь обладает большой упругостью, деформируясь под действием нагрузки без заметных деформаций вплоть до разрушения. Вблизи плоскости нарушения прочность угля снижается в зависимости от амплитуды в 5 - 12 раз. Уголь в этих зонах сильно перемят, склонен к пластическому деформированию.

Влияние мелких геологических нарушений (тектонические трещины, ступенчатость в кровле и др.) на прочность угля менее заметно, а иногда не улавливается совсем. В ряде же случаев прочность угля около мелких нарушений снижается в 2 - 3 раза по сравнению с ненарушенными участками.

Участки в местах дизъюнктивных нарушений опасны по внезапным завалам очистных и подготовительных выработок, обрушениям и высыпаниям нависающих массивов угля с попутным усиленным газовыделением, внезапным выбросам угля и газа и пожарам. В горнотехнических условиях наложения на участок угольного массива нескольких зон опорного давления в районе нарушений могут происходить горные удары.

Ширина зоны влияния разрывных нарушений на прочность боковых пород находится примерно в границах зоны влияния, установленной для пластов угля.

Ширина зоны влияния дизъюнктива а имеет связь с его амплитудой N в виде уравнения

а = с·N^-у

где с и у - коэффициенты, установленные для изученного месторождения.

Например для условий Партизанского бассейна получены следующие зависимости

а¹ = 3·N^0,47

а¹¹ = 2,9·N^0,29

где а¹ - нормальная мощность зоны влияния дизъюнктива в лежачем крыле пород; а¹¹- то же в висячем крыле пород.

Установленные зависимости справедливы для наиболее распространенных мелкоамплитудных разрывных нарушений при N < 10 м.

Ширина зоны пониженной прочности угля в пласте зависит от двугранного угла, образованного плоскостями смещения и кровли (почвы) пласта, и по линии падения может быть оценена по формуле:

где a - нормальная мощность зоны влияния разрыва на массив пород; α - угол падения пласта;- угол падения сместителя; γ - острый угол, образованный линиями простирания пласта и разрыва на горизонте проведения выработки; () - у согласных разрывов, когда  >;() - у согласных разрывов, когда α > .

Угол находится из выражения

.

4. Под горным давлением понимают вертикальные или нормальные к напластованию напряжения. Горное давление в нетронутом массиве называется геостатическим. Оно равно весу всей толщи расположенных выше пород, т.е. произведению глубины Н и плотности пород γ (т/м³).

Проведение горной выработки вносит изменение в напряжённое состояние массива и вокруг выработки образуется область, в которой напряжения отличаются от напряжений в ненарушенном массиве. Эти новые, более высокие по сравнению с геостатическими, нормальные к пласту сжимающие напряжения, возникшие в результате ведения горных работ и перераспределения веса пород над выработанным пространством на нетронутые части массива называют опорным давлением.

В горнотехнической литературе опорное давление связывают с работой очистных забоев. В соответствии с определением опорного давления, проявляется оно во всех горных выработках, в том числе и одиночных.

Если считать, что до проведения выработки в нетронутом массиве вертикальные напряжения Р₀ на глубине Н равны γН, то создание искусственной полости обусловливает повышение напряжений до величины Р. Далее напряжения γН будем называть геостатическими.

Рассмотрим изменение напряжённого состояния в точке А, к которой приближается выработка и которая впоследствии оказывается на ее контуре (рис. 3.1).

Проведение выработки (создание полости) приводит к концентрации напряжений вблизи её контура. Расстояние от выработки, на котором начинается изменение геостатического давления, назовём зоной влияния выработки и обозначим l₁. Известно, что при круглой форме поперечного сечения выработки напряжения на её контуре равны 2γН. Если вне зоны влияния выработки в точке А₁ напряжения равны геостатическим (γН), то по мере приближения забоя они растут и в забое (А₂) равны КγН, где К - коэффициент концентрации напряжений непосредственно в сечении забоя выработки. Максимальное напряжение 2γН будет иметь место на некотором расстоянии от забоя l₂, где влияние забоя отсутствует.

Можно считать, что на участках l₁ и l₂ напряжения повышаются от γН до 2γН (А₃). В то же время рост напряжений может сопровождаться и их релаксацией. На участке, где скорость приложения напряжений выше, чем их релаксация, скорость деформирования пород будет увеличиваться. После достижения напряжениями максимальных значений и релаксации напряжений скорость деформаций начинает уменьшаться. Точка перегиба в изменении напряжений и скоростей деформаций разделяет зоны нарастающих и уменьшающихся (l₃) напряжений.

На некотором расстоянии от забоя скорость деформаций становится близкой к постоянной.

Назовем участки l₁, l₂, l₃, в которых опорное давление изменяется в связи с перемещением забоя выработки, зоной динамического опорного давления, а участок l₄ - статического опорного давления.

Характер роста напряжений в зоне нарастающего опорного давления может быть непрерывным и периодическим. Непрерывный рост напряжений может происходить при равномерном движении проходческого комбайна. Периодичность изменения напряжений характерна для движения комбайна в пределах одной заходки и остановок для крепления забоя. В этом случае при работе комбайна и перемещении забоя напряжения будут возрастать и скорость смещений контура увеличиваться. При остановке забоя скорость смещений пород будет уменьшаться.

Наиболее ярко выражена периодичность изменения напряжений при буровзрывном способе проведения выработок. В этом случае положение забоя выработки мгновенно изменяется во время взрыва. Забой перемещается и напряженное состояние пород, связанное с резким увеличением напряжений, изменяется. При этом изменение положения забоя влияет на напряженное состояние пород не только в пределах одной заходки, но и на некотором расстоянии от нее.

В зависимости от способа проведения выработки изменяются скорость деформаций и скорость смещений пород в выработку.

Расстояния l₁, l₂, l₃, на которых напряжения изменяются, будут зависеть от соотношения напряжений Р и прочности пород σ. Максимальным расстояние l₂ будет при Р < σ_∞, т.е. при напряжениях меньше предела длительной прочности пород, а минимальным при Р > σ₀, т.е. при напряжениях выше предела мгновенной прочности. Размер зоны нарастающих напряжений изменяется в широких пределах - от 0 до 20 ÷ 30 м.

Очень важно то, что максимальные скорости смещений и до 40÷80% всех смещений проявляются в зоне динамического опорного давления, в основном в зоне нарастающих напряжений.

Распределение напряжений в зоне неупругих деформаций можно рассматривать с двух позиций: 1) плавное до значения 2γН (рис. 3.2, а) уменьшение напряжений с удалением от выработки в пределах зоны неупругих деформаций; 2) волновое изменение напряжений (рис. 3.2, б).

На небольших глубинах второй пик напряжений не приводит к значительным деформациям и для объяснения геомеханических процессов можно пользоваться рассмотренной схемой (см. рис. 3.2, а).

Концентрация напряжений вблизи контура выработки может вызвать разрушение пород. При этом зона разрушенных пород примыкает к контуру выработки, в глубь массива деформации затухают. Если концентрация напряжении велика, то и второй пик напряжений может привести к разрушению массива пород (это явление проф. И.Л. Черняк [6] предлагает считать признаком глубокой выработки). Для обычных выработок разрушение происходит только вблизи контура выработки. Рассмотрим деформационные процессы в зоне неупругих деформаций.

Поведение образцов горных пород при длительном приложении нагрузки показало, что при деформировании пород могут иметь место упругие, упруго-вязкие, упруго-вязко-пластические деформации и разрушение пород. Критериями каждого из деформационных процессов могут быть предел упругости, предел длительной прочности и прочность пород при мгновенном приложении нагрузки.

Упругие деформации и ползучесть (упруго-вязкие деформации) без нарушения сплошности породы наблюдаются при напряжениях меньше предела длительной прочности. В этом случае для пород типа глинистых и песчанистых сланцев, а также песчаников деформации ползучести полностью затухают во времени. При напряжениях, превышающих предел длительной прочности, наблюдается упруго-вязко-пластическое течение пород. Деформации не затухают во времени и приводят к разрушению породы.

Характер деформаций массива в значительной степени зависит от структуры и слоистости пород. Для слоистого массива, представленного осадочными породами типа глинистых и песчанистых сланцев, а также песчаников характер деформаций пород кровли показан на рис. 3.3.

В зависимости от соотношений предела прочности пород и напряжений вокруг выработки, проведенной в однородном массиве, могут иметь место три типа деформирования.

Первый тип деформаций пород вокруг выработки. При напряжениях σ₁ на контуре меньше предела длительной прочности в массиве вокруг выработки образуется зона упруго-вязких деформаций. Деформационный процесс в этом случае протекает без нарушения сплошности пород и имеет затухающий характер во времени и пространстве. Для этого типа деформаций характерно плавное уменьшение смещений в глубь массива и плавное изменение смещений и их скоростей во времени.

Для глинистых и песчанистых сланцев и песчаников при напряжениях меньше предела длительной прочности смещение контура горных выработок по радиусу r обычно не превышает 50÷60 мм. Прочность пород оказывается достаточной для сопротивления возникающим напряжениям без применения крепи. Для предохранения от вывалов отдельных кусков пород в этих выработках можно применять легкую оградительную крепь.

Второй тип деформаций пород вокруг выработки имеет место при напряжениях на контуре, превышающих предел длительной прочности, но меньших предела мгновенной прочности породы. Упругие и упруго-вязкие деформации могут сменяться незатухающими деформациями. Для пород типа глинистых и песчанистых сланцев, а также песчаников участок кривой ползучести, где деформации протекают с постоянной скоростью, обычно невелик, а пластическая деформация сопровождается образованием микротрещин и увеличением объема породы. При средней постоянной величине в отдельные интервалы времени скорость деформаций резко меняется (на графике - пикообразное изменение скоростей).

Вследствие образования микротрещин и дальнейшего роста неупругих деформаций местные разрушения объединяются в более крупные трещины и процесс разрушения интенсифицируется, обусловливая смещение пород к выработке.

Если снижение прочности пород при длительном нагружении можно объяснить появлением микротрещин, то снижение прочности породного массива - следствие появления макро- и микротрещин.

В связи с тем, что породы оказывают еще значительное сопротивление разрушению, а величина тангенциальных напряжений уменьшается с углублением в массив, то на некотором расстоянии от контура выработки разрушения пород не происходит, массив при этом подвержен упруго-вязким деформациям. Таким образом, при напряжениях на породном контуре выработки выше предела длительной прочности, но меньших мгновенной прочности, также образуется зона упруго-вязких деформаций. С течением времени часть этой зоны разрушается и переходит в зону длительного разрушения пород.

Скорости смешений вначале возрастают, а после достижения макси-мума начинают плавно падать до разрушения первого от контура слоя пород. Разрушение приводит к резкому скачку скорости смешений пород, что на графике отражается в виде пик, высота которых со временем уменьшается, а расстояние между ними увеличивается.

До начала разрушения пород изменение величин смешений в глубь массива имеет плавный характер, но при дальнейшем распространении разрушения в глубь массива на графиках появляется точка перегиба соответствующая примерно границе зоны разрушения пород. Размер зоны длительного разрушения пород в глинистых и песчанистых сланцах может достигать 1,5÷3,0 м. (прослеживается с помощью глубинных реперов). Величина смещений в результате разрушения пород и увеличения их объема может превышать смещения от упруго-вязких деформаций. Величина смещений контура в случае второго типа деформаций, как правило, не превышает 200 мм. Вокруг выработки образуются зоны: упруго-вязких деформации I и длительного разрушения пород II.

Третий тип деформаций пород вокруг выработки. Если на контуре выработки напряжения σ₁ превышают мгновенную прочность породы σ₀, то разрушение пород должно начинаться вслед за проведением выработки при достижении значения σ₁ = 2γН. Зона, где породы разрушаются сразу по достижении максимума напряжений, может быть названа зоной условно-мгновенного разрушения пород III. В случае третьего типа деформаций выделяются три зоны: упруго-вязких деформаций, длительного разрушения пород и условно-мгновенного разрушения. Смещения на контуре превышают 200 мм.

При увеличении глубины заложения выработок геомеханические процессы в массивах пород вокруг выработки усложняются и помимо рассмотренных зон деформирования пород на некотором расстоянии от них возникают новые зоны разрушений. Эго явление было открыто коллективом ученых под руководством академика Е. И. Шемякина. Обнаруженные ими ранее не известные зоны разрушения пород получили название зональной дезинтеграции горных пород (рис. 3.4).

Зона дезинтеграции 4 располагается за пределами массива пород 3, отделенного от выработки 1 зоной разрушенных пород 2. Объяснить это сложное явление можно следующим образом.

При проведении горной выработки в слоистом массиве происходит периодическое деформирование слоистых пород кровли. Их следует рассматривать как плиты, которые при достижении предельных размеров разрушаются как у забоя, так и в направлении оси выработки. По мере подвигания забоя обнаженная поверхность плиты увеличивается. Одновременно расширяется и зона в породах кровли, в которой растут напряжения.

Из теории упругости известно явление волнообразного изменения напряжений и деформаций плит и балок на упругом основании, что характерно для мест заделки плит в массиве. Необходимое условие - наличие между ними границы, не передающей касательные напряжения (как в слоистом массиве). Поэтому прогиб слоев в выработку может создать волнообразное изменение напряжений в окружающих породах (кривая 5).

Волнообразное изменение напряжений в массиве пород впереди лавы известно давно (волна Вебера). Вебер и его последователи предполагали, что по мере движения очистного забоя перемещается и волна (рис. 3.5). Однако такое понимание сложного геомеханического процесса не нашло широкого признания, так как, признавая это, следовало бы считать, что состояние массива на равном расстоянии от забоя одинаково и что максимальные и минимальные напряжения перемещаются вместе с забоем.

Проф. И.Л. Черняк предложил новое понимание этого геомеханического процесса, сущность которого в том, что происходящий при проведении выработки динамический процесс имеет периодический характер и связан с движением забоя и изменением напряженного состояния массива пород [6].

По результатам наблюдений, определяющим периодичность дефор-мирования пород кровли, рассматриваемый геомеханический процесс можно интерпретировать следующим образом. Слои пород кровли представляют собой плиты, заделанные в массивах пород в боках и впереди забоя выработки. По мере подвигания забоя выработки увеличиваются обнаженная площадь плиты и зона в породах кровли, где происходит деформирование массива.

Большой интерес представляют геомеханические процессы, происходящие в массиве пород в боках выработки. Разрушение плит пород в забое сопровождается разрушением их вдоль оси выработки. Сложный процесс увеличения размеров плит и их разрушения обусловливает изменение напряженного состояния массива пород в боках выработки.

Падение напряжений после разрушения плиты имеет характер, подобный нарастанию напряжений в связи с последовательным деформированием слоев в пределах зоны разрушения.

Как и впереди забоя, изменение размеров плит и увеличение их числа по мере роста зоны разрушений пород приводят к накладке волн одна на другую и появлению мест, в которых действовали максимальные сжимающие и растягивающие напряжения. Максимальные напряжения имели место при максимальных размерах плит.

Таким образом, размер зоны разрушенных пород по длине выработки изменяется, а выработка имеет вид гофрированной трубы.

При определенном уровне общей напряженности возможно появление зональности разрушения в боках выработки по ее длине. Вблизи контура выработки породы разрушаются, изменение напряжений не может быть волнообразным и поэтому волна напряжений как бы сдвигается вглубь массива.

5. Основным средством изучения характера деформирования породного массива в окрестности выработок являются реперы. В зависимости от задач исследований реперы могут быть контурными, с глубиной установки 1 - 3 м, и глубинными, с глубиной установки более З м. Репер обычно представляет собой отрезок трубы длиной 30 - 50 мм, к которому приварен гибкий усик, выполняющий роль стопорного устройства, и тяга - гибкая или жесткая. При установке в скважине n реперов их тяги проходят через все предыдущие (n - 1) реперы. Совокупность реперов в скважине образует реперную наблюдательную станци. При выполнении измерений фиксируется положение контурно репера К. По отношению к нему измеряют перемещения всех остальных тяг и строят соответствующие графики деформаций породного массива во времени.

Для получения полной картины перемещений в окрестности выработок в окружающий массив на нужную глубину бурят несколько скважин. Полную величину взаимного сближения кровли и почвы или боков выработки называют конвергенцией соответственно вертикальной и горизонтальной.

Часто бывает полезным знать, какую часть в вертикальной конвергенции составляют отдельно перемещения почвы и кровли выработки. Для этого используют нивелирование, что достаточно трудоемко, или гидрореперы. Конструкция гидрорепера следующая (рис. 2.15). В боку выработки в районе реперных станций бурят скважину l под небольшим углом к горизонту (α ≈ 8÷10). В забой скважины досылают и там раскрепляют гидрокапсулу 2.

Гидрокапсула сообщается с выработкой при помощи трубки 3, которая гибким переходником 4 соединена со стеклянной трубкой 5. Получают уровень отсчета, по отношению к которому измеряют отдельно перемещения кровли и почвы.

Для измерений относительных смещений боковых пород в очистных и подготовительных выработках используют также, кроме контурных реперов, универсальные стойки (СУ), представляющие собой телескопическую систему труб и штанг. Между верхними и нижними трубами устанавливают регистрирующее измерительное устройство (самописец, индикатор часового типа или индуктивный датчик). Для установки стоек в почве и кровле выработки бурят шпуры. В них забивают деревянные пробки, на которые опирают наконечники труб. С помощью универсальных стоек можно регистрировать величину перемещений с точностью до 0,01 мм.