Горное давление

ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ (а. rock pressure; н. Gebirgsdruck; ф. pression des terrains; и. presion del terreno) — напряжения, возникающие в массиве горных пород, вблизи стенок выработок, скважин, в целиках, на поверхностях контакта порода — крепь в результате действия главным образом гравитационных сил, а также тектонических сил и изменения температуры верхних слоев земной коры.

Наиболее общей формой проявления горного давления является деформирование горных пород, которое приводит к потере ими устойчивости, формированию нагрузки на крепь, динамическим явлениям (горным ударам, внезапным выбросам). Поэтому при проведении горных выработок предварительно рассчитывают горное давление для определения прочности несущих элементов подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способов управления горным давлением.

Первые методы расчёта горного давления основывались на гипотезе, согласно которой горное давление вызвано весом определённого объёма пород, приуроченного к данному несущему элементу. Одной из наиболее распространённых была гипотеза Турнера (Франция, 1884), на основе которой горное давление 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 горном давлении на крепь подготовительных 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, которые 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 русского учёного М. М. Протодьяконова (1907), в которой указанный объём представляет собой параболический свод. Его высота (b) связана с полупролётом выработки (а) соотношением: b=а/f, где f — тангенс угла внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости для связных. Расчёты по этой формуле для глубин до 200-300 м (при отсутствии тектонических напряжений) дают практически приемлемые результаты.

Применительно к лавам угольных пластов гипотеза о весе пород свода трансформировалась в гипотезу о сводчатой форме распределения горного давления на крепь, параметры которого определяются по результатам натурных замеров и по качественным оценкам. Наряду с упомянутыми гипотезами развивалось направление, сводившее изучение горного давления 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 подготовительной 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 советский учёным А. Н. Динником в 1926, попутно им дан вывод одной из наиболее распространённых формул для определения коэффициента бокового распора.

Более детальное решение для незакреплённого ствола получено советским учёным С. Г. Лехницким (1937). Упругопластичность, напряжённо-деформированное состояние в окрестности горизонтальной и вертикальной круглой выработки рассмотрел Р. Феннер (Чили, 1938). В его решении горное давление на крепь определяется минимальным значением, при котором окружающая выработку пластинная зона будет находиться в равновесии.

Принципиальной для развития теории горного давления явилась работа советского учёного Г. Н. Савина (1947), в которой использовано условие совместности перемещений контактирующих друг с другом точек поверхности выработки и крепи. Это позволило теоретически объяснить влияние податливости крепи на величину горного давления. А. Лабас (Бельгия, 1949) предложил рассматривать поведение пород в разрушенных областях вокруг выработок как поведение сыпучей среды, характеризующейся внутренним трением и сцеплением.

В 1954 советский 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 советского учёного Г. А. Крупенникова и его школы. Г. Н. Кузнецовым сформулирована также концепция шарнирно-блочных систем, образующихся в кровле очистных выработок. Советский учёный К. В. Руппенейт на основе предложений Г. Н. Савина и А. Лабаса построил универсальную расчётную схему, позволяющую связать горное давление на крепь подготовительной выработки с упругими и прочностными свойствами пород. Ю. М. Либерман, модифицировав схему К. В. Руппенейта, разработал метод, позволяющий определить оптимальная жёсткость крепи. В конце 70-х гг. вновь возродился интерес к определению горного давления на крепь как веса некоторого объёма сыпучей породы; достижения в этой области связаны с работами советского учёного Е. И. Шемякина и др.

Систематическое изучение тектонических сил в массиве горных пород начато в СССР работами М. В. Гзовского в 1954 и продолжено И. А. Турчаниновым, Г. А. Марковым, за рубежом — Н. Хастом (Швеция, 1958) и другими исследователями. Основные методы исследования горного давления — аналитический, моделирование (оптическое и эквивалентными материалами) и натурные наблюдения.

Горное давление в ненарушенном (нетронутом) массиве. Если рассматривать массив, в котором ещё нет горных выработок, как однородный и изотропный с горизонтальной поверхностью и учитывать лишь гравитационные силы, то в нём будут действовать начальные нормальные напряжения:

s_z = gH;  s_x = s_y = xgH,

где Н — глубина от поверхности;

g — объёмный вес;

х — коэффициент бокового распора.

Начальные касательные напряжения t_xy, t_xz, t_yz равны нулю; поэтому начальные напряжения представляют собой главные нормальные напряжения, а оси z, х, у — главные оси (рис. 1).

В реальных природных средах действует большое число факторов, иногда сильно влияющих на изменение значения горного давления (например, направленность тектонических сил, как правило, вызывает неравенство горизонтальных составляющих).

Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. При проведении горизонтальных капитальных и подготовительных выработок главные нормальные напряжения изменяются, а главные оси тензора напряжения поворачиваются по сравнению с начальными. В плоском сечении, перпендикулярном оси выработки (вдали от забоя), напряжённое состояние каждой точки можно охарактеризовать главными нормальными напряжениями s₁ и s₂ и линиями, указывающими направление главных осей в каждой точке, т.н. траекториями главных напряжений (рис. 2, а).

Напряжения s₂ вблизи выработки уменьшаются по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве, а напряжения s₁ могут значительно возрастать или менять знак, вызывая опасное растяжение. Главные нормальные напряжения, направленные параллельно (или почти параллельно) оси выработки, вдали от забоя практически не изменяются. Концентрация напряжений s₁, 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 s₁ имеют общую тенденцию к убыванию при удалении от выработки (рис. 2, б), а s₂ 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 s₁ падают по сравнению с теми значениями, которые наблюдались до её образования, и меняется характер их распределения (рис. 2, в). Максимум напряжений s₁ приурочен к внешней границе зоны неупругих деформаций, на которой 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.

Дальнейший рост смещений во времени обусловлен реологическими свойствами горных пород. 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 горное давление возникает вследствие того, что крепь воспринимает прирост смещений с момента её установки, который зависит от давления (р). Поэтому последнее можно определить из условия совместности смещений:

U_t(р) = U₀ + U_t^k (р),

где U_t (р) — смещение поверхности выработки в момент времени t;

U₀ — смещение поверхности выработки до наступления контакта между крепью и этой поверхностью;

U_t^k (р) — смещение контура крепи в момент времени t. Решение этого уравнения (относительно р) находят по графику (рис. 4).

При малой жёсткости крепи её смещения велики, и поэтому породы зоны неупругих деформаций отслаиваются от окружающих пород, нагружая крепь собственным 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 различные узлы и элементы податливости. Однако, чем меньше реакция крепи, тем больше размеры зоны неупругих деформаций, породы которой воздействуют на крепь своим весом. Таким образом, снижение жёсткости крепи имеет естественный предел — оптимальную жёсткость, обеспечивающую минимальное давление в данных горно-геологических условиях. При невозможности (или затруднительности) регулировки жёсткости постоянной крепи (например, 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 других факторов эти величины могут изменяться в несколько раз.

Влияние очистных работ приводит к увеличению смещений контура выработки. Если выработка непосредственно примыкает к лаве (например, откаточный и вентиляционной штреки), то смещения достигают половины вынимаемой мощности пласта. С целью уменьшения этого влияния применяют различные способы охраны горных 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.

Горное давление в очистных выработках. При очистной выемке длинными забоями (лавами) характер горного давления и его проявлений существенно иной, чем в подготовительных выработках и стволах (рис. 5).

Это связано с обнажением пород на больших площадях и наличием постоянного перемещения забоя, играющего существенную роль в формировании проявлений горного давления. 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 основным видом смещений пород является послойный изгиб с образованием зазоров и щелей между отдельными слоями (расслоение и отслоение). При определенной величине подвигания забоя возможно разрушение слоев горных пород и обрушение их в выработку. Чтобы не допустить массового обрушения в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют различные способы управления горным давлением (например, полное обрушение и закладку выработанного пространства). При полном обрушении индивидуальная крепь выбивается за задней границей призабойного пространства, вследствие чего нижний слой кровли (так называемая непосредственная кровля) обрушается по границе, которая обычно усиливается специальной посадочной крепью. Оставшаяся над призабойным пространством непосредственная 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 основную 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 непосредственной кровли.

При работе с механизированной крепью непосредственная кровля обрушается вслед за передвижением крепи. Основная кровля некоторых пластов представляет собой мощные слои прочной породы (например, песчаника). Такая кровля обрушается только при очень значительном подвигании забоя, что вызывает усиленное давление на крепь. Эффективное управление горного давления при подобных труднообрушающихся кровлях возможно путём предварительного ослабления их впереди линии забоя взрыванием мощных скважинных зарядов (торпед), гидроразрыхлением и т.п. Перспективно также применение механизированных крепей высокого сопротивления. При слабых породах почвы, в которые вдавливается крепь, используют специальные расширенные опоры. Для управления горным давлением на крутопадающих пластах применяется закладка выработанного пространства, которая препятствует прогибу слоев кровли, ликвидируя чрезмерные изгибающие моменты и возможность обрушения.

Горное давление на крепь очистной выработки вычисляется с учётом условий её работы в режиме заданной нагрузки или заданной (взаимовлияющей) деформации аналогично горному давлению на крепи капитальных и подготовительных выработок. При этом слои кровли рассматриваются как балки, плиты или шарнирно-блочные системы. Размеры зоны расслоения, в пределах которой образуется система взаимодействующих балок (плит), определяются методами механики деформируемой среды. Балки (плиты) считаются загруженными собственным весом, а также пригрузкой со стороны вышележащих слоев. Величина пригрузки определяется из эмпирических соотношений, полученных на основе лабораторных экспериментов, или аналитического вывода, базирующегося на условии совместности смещений. Шарнирно-блочная система образуется в результате упорядоченного разрушения балок (плит) и состоит из блоков пород кровли, которые взаимодействуют между собой в отдельных 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 строительной механики. Расчёт давления беспорядочно обрушенных пород и закладочных материалов на крепи осуществляется также методами механики сыпучей среды. Для анализа схем работы кровли и главным образом для практического выбора способов управления горным давлением широко используются различные классификации структур кровель.

Горное давление 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 горного давления. В широких целиках распределение напряжений по сечению существенно неравномерно и зависит от механических свойств горных пород целика почвы и кровли. В целиках, сложенных крепкими, хрупкими породами и залегающими в таких же породах, значительные концентрации напряжений наблюдаются вблизи стенок. При существенно пластичных породах (уголь, некоторые руды) у стенок целика происходит спад напряжений. В средней части широкого целика может образоваться "ядро", находящееся в объёмном напряжённом состоянии, что повышает несущую способность целика. Для учёта этого повышения применяют эмпирические коэффициенты, а также используют закономерности, полученные на основе использования теории предельного равновесия.